L’identificazione di indici diagnostici affidabili è segnalata come una importante esigenza del settore elettrico, in relazione all’obiettivo di migliorare l’affidabilità e la sicurezza dell’infrastruttura di trasmissione. In questo contesto, la disponibilità e l’accertamento delle prestazioni di nuova sensoristica per misure elettriche e magnetiche può contribuire alla messa a punto di più efficaci metodi e strumenti di monitoraggio e di diagnostica per la sorveglianza in linea dei sistemi elettrici e dei loro componenti (trasformatori TA e TV, isolatori, generatori). A questi temi rivolge l’attenzione il WorkPackage 1.5, Milestone 1.5.1, del progetto SENNA, il cui scopo è aggiornare e approfondire lo stato dell’arte sulla nuova sensoristica per misure elettriche e magnetiche per utilizzo sia in laboratorio sia su impianto e sulle correlate metodologie per la sorveglianza in linea e la diagnostica dei componenti del sistema elettrico. In sintesi, sono state portate a termine le seguenti azioni: • Individuare sensori innovativi, prototipi o dispositivi sperimentati solo di recente in applicazioni di monitoraggio, atti a migliorare la sorveglianza dei componenti del sistema di trasmissione. Alle soluzioni più nuove ed interessanti sono dedicate alcune schede sintetiche. • Studiare soluzioni più efficaci per la diagnosi in linea del degrado delle caratteristiche dielettriche degli isolatori delle linee AT, secondo modalità compatibili con applicazioni di monitoraggio, utilizzando combinazioni di sensori atti a rilevare impulsi di corrente, di norma utilizzati per prove di laboratorio. La rilevazione di impulsi con banda passante superiore a 100 kHz consente di caratterizzare in alta frequenza il comportamento di catene di isolatori AT e di diagnosticare eventuali malfunzionamenti, correlati alle condizioni ambientali e/o accentuati dalla presenza di contaminanti. A valle di una fase di consolidamento, i risultati possono trovare sbocco nella formulazione di più efficaci piani di manutenzione del sistema di isolamento delle linee elettriche in alta tensione. • Valutare le prospettive d’impiego di biosensori; la ricerca ha riguardato soprattutto la possibilità di rilevare, in ambienti circoscritti, la presenza di fluidi o gas correlabile al degrado di parti attive di macchinari e componenti elettrici.

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 4/31 1 INTRODUZIONE La messa a punto di indici diagnostici affidabili ed efficaci, la loro implementazione distribuita su intelligenza locale e la messa a disposizione dei dati all’utilizzatore finale in formati standard, sono oggi esigenze primarie in relazione alla necessità di migliorare l’affidabilità e la sicurezza della rete elettrica di trasmissione e di distribuzione. L’individuazione, la caratterizzazione sperimentale in laboratorio e la successiva prova in campo e/o in condizioni reali di esercizio, di sensori innovativi per misure elettriche e magnetiche, oltre che di strumentazione per applicazioni diagnostiche, sono pertanto un passaggio importante nell’ottica di fornire risposte sempre più efficaci a tali esigenze. Nell’ambito del progetto SENNA è stata avviata una ricognizione dello stato dell’arte circa la possibilità di utilizzare sensori innovativi per la sorveglianza continua di componenti del sistema di trasmissione. Su questa tematica, che individua i contenuti del WorkPackage 1.5 e della Milestone 1.5.1 "Sensori innovativi per misure elettriche e magnetiche", sono state attuate le azioni, i cui risultati sono descritti nel presente rapporto. Nel corso dell’attività sono state svolte in particolare azioni di carattere esplorativo, verso costruttori e/o fornitori di componenti, per individuare sensori disponibili sul mercato, in forma di prototipi e anche in avanzata fase di studio; in questo modo s’intendeva anche valutare la possibilità di avviare in futuro nuove sperimentazioni su strumentazioni e/o componenti ritenuti di interesse nell’ambito del processo di miglioramento del sistema di trasmissione elettrico nazionale. I risultati di questa attività sono illustrati nel §.2. Una fase più mirata, di tipo sperimentale, è stata effettuata con riferimento a sensori convenzionali, le cui prestazioni possono essere potenziate con l’ausilio di metodiche di prova innovative. Questa possibilità riguarda in particolare la diagnosi sullo stato di catene di isolatori di linee aeree ad alta tensione attraverso l’impiego on-line di trasduttori in alta frequenza. Tale soluzione può consentire di diagnosticare eventuali malfunzionamenti, favoriti dalla presenza di inquinanti e da particolari condizioni ambientali. L’attività descritta nel §.3 si concentra in particolare sullo studio del sistema di accoppiamento più efficace per acquisire gli impulsi di corrente, in funzione della banda passante e della risposta in frequenza dei trasduttori. I biosensori sono decisamente innovativi, sia per tipo di trasduzione sia per i metodi di elaborazione dell’informazione e diagnosi. L’attenzione (§.5) si è soffermata sulle potenzialità applicative dei biosensori nel medio e lungo termine. Essi possono trovare applicazione nell’ambito della sorveglianza continua, in particolare nella rivelazione della presenza di specie chimiche allo stato liquido o gassoso in ambienti circoscritti, correlata ad esempio a fenomeni di degrado di parti attive di macchinario e/o di componenti elettrici. Una possibile applicazione è l’analisi dei gas rilasciati nel processo di degrado dei sistemi di isolamento in ambienti chiusi (ad es. macchinario rotante, GIL, GIS), spesso dovuto a scariche parziali che possono portare il sistema isolante fino alla scarica distruttiva.

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 5/31 2 SENSORI INNOVATIVI: RISULTATI DI UN’INDAGINE DI MERCATO Da un’analisi dello stato dell’arte e di mercato, sono state individuate alcune tipologie di sensori non ancora commercialmente disponibili ma già in fase di sperimentazione avanzata. Da quanto emerso, la sensoristica più interessante dal punto di vista dell’applicazione innovativa può essere classificata in diverse famiglie. Tra queste, le più interessanti sono quelle legate ai nanosensori e ai sensori ottici. Da un’analisi aggiuntiva legata alla possibilità di impiegare quanto trovato su componenti elettrici è stato possibile ridurre il numero dei sensori individuati a quelli riportati di seguito: • Nanosensore per rilievo di idrogeno nell’olio dei trasformatori di potenza; • Sensore MIS (Metal Insulator Semiconductor) per rilievo di idrogeno; • Sensore fibra ottica per rilievo SP (Scariche Parziali); • Sensore ottico per misura temperatura interna trasformatore (multipunto); • Sensore per misura di corrente, tensione e fattore di potenza delle linee elettriche. Per completezza d’informazione viene inoltre qui menzionato un sensore ottico per il monitoraggio e la rivelazione in continuo delle scariche parziali eventualmente presenti nei GIS, recentemente brevettato da CESI e sviluppato nell’ambito di precedenti attività di ricerca e sviluppo ("Light Detection Equipment in component with optical access"; US Patent n. 6,670,604 B1 – L. De Maria, A. Martinelli). Il sensore può essere efficacemente usato anche in laboratorio nella fase di prova dei GIS. I vantaggi più evidenti sono l’immunità da disturbi elettromagnetici, la buona risoluzione spaziale, il costo contenuto e l’adattabilità ai componenti elettrici attualmente in commercio. Nella scelta dei sensori, si è dato peso rilevante al fatto che questi siano già disponibili in forma prototipale e siano già stati ampiamente sperimentati in laboratorio, per cui è ragionevole ipotizzare un loro impiego in campo in tempi relativamente brevi.

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 6/31 2.1 Misura di idrogeno nell’olio dei trasformatori di potenza Categoria: nano tecnologia a basso costo Utilizzo: Monitoraggio della presenza di idrogeno nell’olio dei trasformatori. Questo sensore si sostituisce a tecnologie quali la gas-cromatografia che sono molto più costose, hanno tempi di risposta molto più lunghi e non possono essere impiegate in modo continuo. Integrando il sensore con la tecnologia della trasmissione wireless è possibile creare un chip in grado di monitorare in modo simultaneo più trasformatori mediante un’unica rete controllata in remoto. Principio di misura: Tramite diminuzione della resistenza elettrica di un aggregato di particelle di palladio causato da un aumento di volume delle particelle in conseguenza dell’assorbimento dell’idrogeno. L’aumento di volume delle particelle migliora il loro reciproco contatto, facendo diminuire la resistenza elettrica dell’aggregato (Figura 1). Caratteristiche tempo di risposta: 10 secondi circa temperatura operativa: fino a 180°C intervallo di concentrazione di idrogeno: 1% – 10% Figura 1 – Principio di funzionamento Riferimenti (Allegato 1): Zvi Yaniv, "Nanotechnology Sensor Can Help Predict Electrical Transformer Failure" http://www.txstate.edu/NAC/documents/featureinstrumenthydrogensensorfnal.pdf [file: featureinstrumenthydrogensensorfnal.pdf]

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 7/31 2.2 Misura di Idrogeno nei canali di circolazione olio dei trasformatori di potenza Categoria: nano tecnologia a basso costo Utilizzo: Monitoraggio dell’idrogeno nelle intercapedini d’aria. Si sostituisce a tecnologie quali la gas-cromatografia che sono molto più costose, hanno tempi di risposta molto più lunghi e non possono essere impiegate in modo continuo Principio di misura: Dissociazione di molecole di idrogeno in atomi, sulla superficie di un sottile strato di metallo catalitico depositato su uno strato di isolante che a sua volta è depositato su un substrato di semiconduttore. L’idrogeno diffonde sotto forma di ione H + all’interfaccia metallo- isolante e viene intrappolato in siti specifici causando una variazione del voltaggio del dispositivo. Problemi : La presenza di gas e principalmente di monossido di carbonio influenza grandemente la misura. A questo si può ovviare mettendo dei setti porosi per l’idrogeno ma che fermino altri gas. La sperimentazione è in corso. Riferimenti (Allegato 2): EPRI Report n.1002616 – settembre 2003 "Development of a Hydrogen, Metal-Insulator-Semiconductor (MIS) Sensor for Use in the Headspace of Distribution Transformers: Feasibility Study" Questo sensore disponibile solo in forma prototipale è stato sperimentato su trasformatori da distribuzione (MT/BT) con risultati incoraggianti, in quanto presenta una buona sensibilità al rilevamento dell’idrogeno disciolto nell’olio dielettrico, con un buon indice di ripetitività dei risultati. http://www.epri.com/OrderableitemDesc.asp?product_id=000000000001002616&targetnid=2677 77&value=04T037.0&marketnid=267707&oitype=1&searchdate=9/29/2003 [file: EPRIDE.pdf] ________________ Medlin Research Group Department of Chemical and Biological Engineering University of Colorado, Boulder http://www.colorado.edu/che/faculty/medlin/mis_sensor.htm [file: MIS Sensor.pdf]

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 8/31 2.3 Sensore Fabry-Perot a fibra ottica per la rivelazione delle SP nei trasformatori di potenza Categoria: micro-sensore Utilizzo: Monitoraggio delle onde acustiche provocate dalle scariche parziali nei trasformatori di potenza. La rivelazione delle scariche parziali è molto importante perché è un indice del deterioramento dei materiali isolanti. Esistono altri sensori basati sulle fibre ottiche che rivelano le onde acustiche, ma sono di costo molto più elevato e di installazione più difficile, oltre che avere una risposta in frequenza molto più limitata. Principio di misura: L’onda acustica incidente sul sensore causa la vibrazione di un piccolo diaframma di vetro che riflette la luce proveniente da una fibra ottica monomodo: l’interferenza della luce riflessa dal diaframma con quella parzialmente riflessa dalla parte terminale della fibra ottica genera un segnale dipendente dalla posizione del diaframma e quindi dipendente dall’intensità dell’onda acustica incidente su di esso. Il sensore ha un diametro di alcuni millimetri e lunghezza di qualche centimetro. La sua sensibilità può arrivare a circa 10 Pascal ed è quindi molto più sensibile dei comuni sensori piezoceramici. Negli ultimi anni, alcune università ne hanno sviluppato dei prototipi funzionanti. Vantaggi: – Alta sensibilità – Interamente costruito di materiale elettricamente isolante (vetro) – Insensibile al rumore elettromagnetico Problemi: La costruzione del micro sensore prevede il posizionamento del diaframma vibrante con una precisione di alcuni nanometri. Inoltre le derive termiche e la pressione statica dell’olio del trasformatore può allontanare il sensore dal suo punto di lavoro ottimale, rendendo quasi impossibile l’interpretazione dei segnali ricevuti. Si pensa di ovviare a questo problema, usando una sorgente LED superluminescente con un filtro ottico accordabile, ovvero che lasci passare solo la luce avente una determinata lunghezza d’onda: in questo modo si può portare automaticamente il sensore sul suo punto di lavoro ottimale, massimizzando il segnale ricevuto istante per istante. Nota: Il tema della rilevazione e del monitoraggio delle scariche parziali nei trasformatori mediante sensori a fibre ottiche è stato affrontato anche nell’ambito della Milestone 1.4.1 – WP 1.4 (“Sensori a fibra ottica per applicazione a problemi di sorveglianza di componenti e impianti del sistema elettrico”) del progetto SENNA, nel quadro di uno studio sulla sensoristica avanzata a fibre ottiche, con sensori distribuiti e puntuali. Lo studio (vedi Rapporto RdS CESI A4 / 504923) ha evidenziato l’attualità del problema, l’assenza per il momento di soluzioni consolidate e la possibilità di uno sviluppo originale, sfruttando competenze presenti in ambito nazionale (vedi collaborazione in atto con il Politecnico di Milano) per lo sviluppo di una soluzione a fibre ottiche a basso costo ed elevate prestazioni. Lo studio e la sperimentazione di fattibilità per tale soluzione è per l’appunto oggetto dell’attività in corso nell’ambito della Milestone 1.4.2 di SENNA. Riferimenti (Allegato 3): Bing Yu, Dae Woong Kim, Jiangdong Deng, Hai Xiao and Anbo Wang: "Fiber Fabry-Perot sensors for detection of partial discharges in power transformers". Applied Optics, June 2003, Vol 42, No. 16 [file: AO-OT-PD detection.pdf]

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 9/31 2.4 Sensore in Fibra Ottica per il monitoraggio della temperatura nei trasformatori Categoria: Sensore ottico distribuito Utilizzo: Monitoraggio continuo in più punti della temperatura all’interno dei trasformatori. Oltre che a tenere sotto controllo la temperatura media del trasformatore, questo tipo di sensore multi punto rende possibile l’individuazione dei punti caldi (hot-spot) del trasformatore, spesso responsabili di rotture catastrofiche. Principio di misura: Una o più fibre ottiche monomodo con reticoli di Bragg, vengono posizionate all’interno del trasformatore. Ogni reticolo di Bragg è un punto di misura della temperatura: una fibra ottica può contenere molti reticoli di Bragg (Figura 2). Figura 2 – Reticolo di Bragg La variazione di temperatura causa una deformazione del reticolo di Bragg con conseguente spostamento della lunghezza d’onda riflessa. L’uso di sorgenti a larga banda e di un rilevatore di lunghezza d’onda della luce retroriflessa dai reticoli di Bragg, rende possibile la determinazione della temperatura. Con un unico sistema di controllo è possibile monitorare diverse unità (Figura 3). Figura 3 – Schema di installazione multipla Tali sensori sono commercializzati (vedere ad esempio: http://www.smartfibres.com)

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 10/31 Vantaggi: – Sensore Multipunto – Elevata risoluzione spaziale – Sistema espandibile – Elevata accuratezza e sensibilità ( ± 0.1 °C) – Deriva nulla (non richiede ricalibrazione) – Sensore elettricamente passivo (fibra in vetro + guaina protettiva) – Sistema multiplexato: un solo analizzatore d’onda (esterno) può interrogare fino a 1000 sensori – Possibilità di scelta delle modalità di manipolazione e gestione dei dati Riferimenti (Allegato 4): (Smart Fibres Structural Monitoring using Fiber Bragg Gratings.pdf) http://www.smartfibres.com/Power_Transformers.htm (file Power_Transformer_Hotspot_Monitoring.pdf) 2.5 Sensore non invasivo di corrente, di tensione e fattore di potenza nelle linee elettriche Categoria: sensore elettromagnetico Utilizzo: monitoraggio delle linee elettriche aeree e sotterranee. Il sensore può monitorare varie grandezze, determinando il carico della linea e aiutando a valutare le sue condizioni per limitare i fuori servizio ottimizzando gli interventi di manutenzione. Può essere impiegato nelle linee a media (4 – 69 KV) e bassa tensione. Esistono dei prototipi e sono in corso prove di valutazione. Nella Figura 4 è possibile analizzare lo schema di applicazione che potrebbe essere adottato per una sperimentazione in campo. Caratteristiche: – La versione per cavi sotterranei si autoalimenta sfruttando il campo magnetico della linea, mentre quella per linee aeree è alimentata con batterie della durata di cinque anni. – Il sensore elabora i dati, così da richiedere una banda passante di trasmissione dei dati minima. In applicazioni tipiche, l’elaborazione riguarda il valore RMS istantaneo, il fattore di potenza e il contenuto armonico. La modalità di trasmissione dei dati può essere di due tipi: attraverso la linea elettrica (versione per linea sotterranea) o RF (versione per linea aerea) – La versione a medio voltaggio si "aggrappa" sul cavo e, nella sua versione base, misura la corrente, la tensione e l’isolamento del cavo senza perforare l’isolante. – Può essere equipaggiato con sensori per la rivelazione di grandezze fisiche addizionali, quali: temperatura, concentrazione di sostanze specifiche, accelerazione, vibrazioni, luminosità. – Basso costo Campi di impiego: – Rivelazione e localizzazione dei guasti – Misura della "Power Quality" – Identificazione delle caratteristiche di isolamento del cavo e della messa a terra – Rivelazione di perdite "non tecniche", ad esempio dovute a errore di manovra. – Rivelazione di carichi non programmati – Conferma delle operazioni di commutazione (switching) quali richiusura e sezionamento – Supporta algoritmi per la commutazione di banchi capacitivi – Monitoraggio della generazione distribuita

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 11/31 Guasti Identificati: – Monofase a terra – Polifase a terra – Cortocircuito polifase – Guasto di alta impedenza (perdita di isolamento) – Guasto di interruzione di fase Figura 4 – Schema di applicazione in campo Riferimenti (vedi Allegato 5): US Patent No. 5,892,430: "Self-powered powerline sensor ", Richard M. Wiesman, Timothy J. Mason, 6 Aprile 1999 (file Self_powered_powerLine_Sensor.pdf) http://www.fosmiltech.com/pages/gridsensor.html (file FMT – Measurement.pdf) http://olcp.com/ufto/ClientsOnly/notes/UFTO%20Note%20- %20Gridcom%20Powerline%20Sensors.htm (file UFTO Note – Gridcom Powerline Sensors.pdf)

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 12/31 2.6 Considerazioni sui possibili futuri sviluppi Sulla base dall’indagine illustrata nei precedenti paragrafi si evidenziano di seguito, in modo sintetico, alcune opportunità di sviluppo da considerare per eventuali future azioni di prova dimostrativa e di messa a punto applicativa delle tipologie di sensori più interessanti. Misura di idrogeno nell’olio dei trasformatori di potenza Dall’indagine è emerso che il sensore ha prestazioni comparabili con quelli attualmente impiegati per misure in linea. La possibilità di integrare in un unico modulo di costi e dimensioni contenuti sia la parte di rilevamento del gas sia di trasmissione a distanza (tipo wireless) consente di ipotizzare una rete di controllo di tipo capillare. In caso di disponibilità del sensore si può ipotizzare un’applicazione in campo. Misura di Idrogeno nei canali di circolazione olio dei trasformatori di potenza Il sensore, disponibile ad oggi solo in forma prototipale, è potenzialmente di grande interesse. Si propone quindi di valutarne lo stato di maturità industriale al fine di una sperimentazione in campo su larga scala in vista di un’applicazione sui trasformatori da distribuzione della rete elettrica nazionale. Sensore Fabry-Perot a fibra ottica per la rivelazione delle SP nei trasformatori di potenza L’utilizzo di sensoristica ottica operante con frequenze elevate (ad esempio con segnali ad ultrasuoni) in grado di rilevare la presenza di scariche parziali nei componenti elettrici, in particolare nei trasformatori, è ad oggi di grande interesse. La disponibilità di prototipi potrebbe motivare future sperimentazioni sia in laboratorio sia in campo. Sensore in Fibra Ottica per il monitoraggio della temperatura nei trasformatori Il rilievo dei punti caldi nel trasformatore con l’utilizzo di sensori in fibra ottica di tipo puntuale è ad oggi un metodo consolidato. L’uso di sensori ottici di tipo innovativo che sfruttano la tecnica dei reticoli di Bragg (misure multipunto) permette di ottenere una migliore mappatura della temperatura dell’avvolgimento con un aumento dell’affidabilità connessa alla caratteristica intrinseca della misura multipunto. Sensore non invasivo di corrente, di tensione e fattore di potenza nelle linee elettriche Attualmente sono stati prodotti soltanto alcuni prototipi non ancora completamente testati. Sarebbe opportuno valutare la possibilità di collaborare con coloro che hanno messo a punto tali prototipi per una caratterizzazione completa con sperimentazione sia in laboratorio sia in campo.

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 13/31 3 SPERIMENTAZIONE SU ISOLATORI PER LINEE 150KV Allo scopo di verificare come sensori commercialmente presenti sul mercato possano essere impiegati in soluzioni innovative, presso i laboratori CESI è stata effettuata un’analisi delle correnti di conduzione superficiali su isolatori in vetro a profilo normale per linee a 150 kV (Figura 5 e Figura 6). Le misure sono state effettuate con più sistemi in serie (induttivo con TA e resistivo con shunt) allo scopo di poter confrontare tra loro, una volta acquisiti, per mettere in risalto le caratteristiche del trasduttore impiegato dal punto di vista del costo e delle prestazioni. Allo scopo sono stati utilizzati sistemi sia a bassa frequenza sia ad alta frequenza; tra questi suscitano particolare interesse, in termini di innovatività, il PDSolver e il PDBase System (vedi in Appendice). 3.1 Oggetti impiegati nella sperimentazione Per la sperimentazione è stata impiegata una catena verticale in vetro a profilo normale U120N costituita da N°9 elementi cappa e perno. Prima della contaminazione Figura 5 – Particolare cappa Figura 6 – Particolare perno Dopo la contaminazione Figura 7 – Particolare campana contaminata 0.06_mg/cm 2 Figura 8 – Particolare sotto campana contaminata 0.06_mg/cm 2

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 14/31 Caratteristiche dimensionali rilevate dal personale di prova: Singolo elemento cappa – perno Costruttore: Fidenza Tipo: U120 kN Diametro esterno: 256 mm Linea di fuga: 310 mm Passo: 145 mm Superficie sup.: 622.33 cm 2 Superficie inf.: 963 cm 2 Superficie tot.: 1585.33 cm2 Intera catena composta da N° 9 elementi (v. fig. a fianco): lunghezza tot.: 1315 mm linea di fuga tot.: 2790 mm Figura 9– Intera catena di isolatori 3.2 Sensori commercialmente disponibili Per l’acquisizione della corrente di fuga sono stati impiegati trasduttori già presenti sul mercato, impiegati con sistemi innovativi. Principalmente i due tipi di accoppiamento impiegati sono stati: Elettrico (tradizionale): consiste nell’utilizzare una impedenza di misura posta in serie al conduttore di messa a terra. Questo metodo di fatto non permette di effettuare rilievi senza evitare un fuori servizio temporaneo dell’oggetto in prova. Induttivo (innovativo): prevede il rilievo dell’attività di scarica mediante la misura della corrente in alta frequenza transitante attraverso la connessione di terra dell’oggetto considerato. Questo metodo consente di verificare l’attività di scarica con una limitata intrusione del sensore nei confronti del componente. Per le acquisizioni sono stati impiegati i seguenti trasduttori: • Impedenza di misura (Z m ): – Caratteristiche: – 56 Ω resistivi antinduttivi – Laboratorio di polluzione piccola c/o CESI 1 3 4 6 9 5 2 8 8 Resistenza 56 Ω Scaricatore

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 15/31 • Impedenza di misura (Z m ): – Caratteristiche: – 50 Ω resistivi per alta frequenza – Materiale: ossido di berillio – Numero inventario CESI : 023727 • Trasformatore di corrente (TA): – Caratteristiche: – Corrente massima: 10A – Rapporto di trasformazione: 1:2 Quest’ultimo è un sensore ad alta banda passante (TA) fornito in corredo al sistema PD Solver; la cui caratteristica saliente è quella di avere una limitata intrusione sia dal punto di vista del componente, sia del sistema. Inoltre, pensando ad una possibile applicazione futura in campo è il sensore che, nella variante a climp, permette installazioni senza fuori servizi, anche parziali, delle linee. Nella Figura 10 è riportata la caratteristica del sensore ottenuta generando al primario del TA una tensione costante di 1V chiusa su una resistenza da 50 ohm ed andando ad analizzare la tensione trasferita al secondario in funzione della frequenza. Figura 10 – Caratteristica del TA impiegato 3.3 Scelta condizione ambientale da riprodurre Per le prove relative allo strato solido (paragrafo 3.7) si è deciso di riprodurre una condizione ambientale caratterizzata da severità di inquinamento medio – leggera (IEC60815) cioè con severità pari a 0.06 mg/cm 2 . Quindi, dopo aver verificato, su isolatori testimoni, che il contaminante impiegato (caolino – sale) riproducesse le condizioni ipotizzate, è stato contaminato in modo uniforme la catena di isolatori in oggetto (Figura 7 e Figura 8) MHz V

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 16/31 3.4 Circuito di prova Le prove sono state eseguite c/o il laboratorio CESI polluzione piccola, impiegando il seguente schema: Figura 11 – Circuito di misura Dove: R: regolatore tipo H.G. ;potenza 0.3 MVA; collegamento secondario 1.25 kV TA: riduttore di corrente; rapporto 300A / 5A; K=60 I 1 : amperometro a lettura diretta TV: riduttore di tensione; rapporto 1500V/100; K=15 V 1 : voltmetro n° CESI 14474 T: trasformatore elevatore tipo OTE; potenza 300 kVA; rapporto 1250 V / 150 kV; K:120; collegamenti in parallelo D: divisore di tensione capacitivo tipo PASSONI E VILLA; 170 kV; capacità 505 pF; N° CESI 9670; rapporto 1406.4 V 2 : voltmetro n° CESI 14473 R M : resistenza di misura della corrente di fuga: 56Ω (R polluzione) o 50Ω (R PD Solver) I 2 : strumento di misura della corrente di fuga tipo Gould TA240S; N° CESI 14461 S a : sistema di acquisizione: oscilloscopio DSA 602 o PD Solver o sistema messo a punto in CESI per rilevare la componente della corrente di fuga fino alla frequenza di 30 MHz I CC : corrente di cortocircuito = 18A R/X rapporto resistenza reattanza di tutto l’impianto = 0.41 (vedi Figura 12) A: punto di prelievo del segnale di corrente con TA A

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 17/31 Figura 12 – Caratteristica impianto polluzione piccola

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 18/31 3.5 Circuito di misura e caratteristiche camera di prova In Figura 13 è riportata la disposizione dell’oggetto testato all’interno della camera di polluzione. Figura 13 – Disposizione oggetto in prova e dimensioni camera di polluzione Caratteristiche camera di polluzione: • Volumetria: 360 m 3 • N° bollitori: 1 • Lunghezza camera (I 1 ): 7700 mm • Larghezza camera (I 2 ): 6100 mm • Altezza camera (H): 7800 mm Disposizione oggetto: • Altezza dal soffitto (h 1 ): 4200 mm • Altezza dal pavimento (h 2 ): 2000 mm Z m Impedenza di misura Oggetto in prova N° 2 isolatori di impianto Barra in alluminio A Sistema di acquisizione HF If HFCT

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 19/31 3.6 Strumentazione impiegati per le acquisizioni Per le acquisizioni, allo scopo di avere un riscontro incrociato sono stati impiegati quattro sistemi: • Gould TA240S: permette un’acquisizione continua con frequenze del segnale di corrente superficiale verso terra fino a qualche kHz. • Sistema messo a punto c/o CESI: il sistema è in grado di acquisire (impiegando due canali) segnali compresi tra 50÷60 Hz e 25 kHz. • PD Base: strumento in grado di acquisire impulsi fino a frequenze nell’ordine dei 250 MHz con banda passante 25 kHz ÷ 30 MHz. • PD Solver; strumento in grado di acquisire impulsi con banda passante: DC ÷ 200 MHz e frequenza di campionamento fino 500MSample/s • DSA 602 A; strumento in grado di acquisire impulsi con banda passante: DC ÷ 1GHz e frequenza di campionamento fino 2GSample/s

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 20/31 3.7 Esecuzione delle prove Le prove sono state eseguite impiegando la configurazione circuitale vista al paragrafo 3.4. Una volta posizionato l’isolatore come in Figura 13 è stata applicata tensione simulando il conduttore di linea, prelevando il valore della corrente di fuga attraverso i trasduttori impiegati. Per le prove si possono considerare due tipologie di esecuzione: − Analisi della corrente di fuga con isolatore contaminato (IEC 60815) − Analisi della corrente di fuga con isolatore pulito. Per quanto riguarda la prima tipologia, dopo aver stabilito la severità dell’inquinamento da riprodurre come DDS (Deposito di Densità Salina) è stata applicata una tensione pari al valore nominale della catena alla barra di alluminio in modo da simulare il conduttore di linea. A questo punto è stato immesso nel locale del vapore prodotto dall’apertura del coperchio di un bollitore contenente acqua demineralizzata. Nella camera in circa 10÷15 minuti sono state raggiunte le condizioni di saturazione dal punto di vista umidità per cui la superficie dell’isolatore ricoperta in modo uniforme dalla miscela caolino – sale è stata soggetta ad una umidificazione progressiva che ha indotto una corrente superficiale verso terra con ampiezza sempre crescente fino al raggiungimento di un massimo dopo circa 40÷50 minuti dall’inizio della prova. Dopo tale istante inizia una fase di dilavamento della superficie dell’isolatore per cui in modo abbastanza lento ma progressivo (circa 90 minuti) si ritorna alle condizioni dielettriche di tenuta dell’isolatore non più contaminato. La prova può essere interrotta se il valere misurato scende sotto al 70% del valore di picco rilevato dall’inizio della prova. Nella seconda tipologia di prova ricadono tutte quelle prove che non sono strettamente legate ad un tempo di esecuzione come nel caso precedente. Nella camera, una volta posizionato l’isolatore si possono ricreare condizioni tra di loro molto diverse: nebbia pulita cioè generata da vapore, nebbia salina con diverse concentrazioni atte a ricreare diverse tipologie di inquinamento marino, e condizione sotto pioggia. In tutte queste prove è fornita tensione, non necessariamente il valore nominale. Lo scopo è quello di verificare come il gradiente dovuto al campo elettrico possa modificarsi dando origine a fenomeni di corona. 3.8 Confronto acquisizioni Analizzando le acquisizioni effettuate con l’oscilloscopio DSA602A della Tektronics e le forme d’onda acquisite con i sistemi innovativi si può affermare che a parità di condizioni ricreate nella camera di prova e di trasduttore impiegato, i due sistemi acquisiscono forme d’onda simili (non è possibile affermare uguali in quanto non acquisite con sincronismo). Nella Tabella 1 si riporta ad esempio il confronto tra i segnali acquisiti con due tipologie di sensore (induttivo e resistivo) accoppiati con entrambe i sistemi (tradizionale e innovativo).

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 21/31 Tabella 1– Confronto forme d’onda DSA602A e PDSolver Prova eseguita il 14/11/2003 Trasduttore (50) CC 0.06 in ambiente secco DSA602A PDSolver System Prova 14 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 5000 10000 15000 Tempo (ns) Tensione (V) Trasduttore (56) CC 0.06 in ambiente secco DSA602A PDSolver System Prova 26 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0 5000 10000 15000 Tempo (ns) Tensione (V) Trasduttore (TA) CC 0.06 in ambiente secco DSA602A PDSolver System Prova 24 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 5000 10000 15000 tempo (ns) Tensione(V) Da un’analisi delle forme d’onda si può dedurre che in bassa frequenza l’impiego di una resistenza 50 ohm al berillio quindi con caratteristica superiore rispetto a quella tradizionalmente impiegata (56 ohm antinduttiva) non fornisce valore aggiunto alla tipologia di misura per cui non è giustificabile da un punto di vista economico. Analizzando e confrontando gli impulsi acquisiti in alta frequenza sia con il sensore induttivo TA sia con la resistenza a 50 ohm al berillio, si può concludere che nonostante la perdita di alcune informazioni di contorno, il fenomeno base è acquisito senza problemi per cui, pensando ad applicazioni future in campo, si ritiene che il trasduttore induttivo TA possa essere in grado di sostituire pienamente i trasduttori tradizionali in quanto risponde agli impulsi di scarica con buona sensibilità. L’unica variante che potrebbe essere aggiunta ai tradizionali TA potrebbe essere un’apertura a climp che garantirebbe il posizionamento del sensore stesso con la minima di intrusione.

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 22/31 4 BIOSENSORI: POTENZIALI APPLICAZIONI DI MONITORAGGIO E DIAGNOSTICA PER IL SETTORE ELETTRICO 4.1 Premessa I biosensori sono strumenti innovativi con applicazioni analitiche diversificate per il monitoraggio ambientale, industriale, clinico, ecc.. Sono generalmente costituiti da una matrice biologica (la parte sensibile) e da un trasduttore di segnale, solitamente capace di amplificare il segnale biologico e di convertirlo in un segnale (elettrico, ottico, ecc.) misurabile [1]. Inizialmente la biosensoristica ha utilizzato come matrici biologiche porzioni limitate dei vari sistemi viventi (frazioni sub-cellulari, mitocondri, sistemi multienzimatici per la trasduzione del segnale intracellulare, frammenti di membrana ecc.) o loro componenti molecolari ultrapurificate (enzimi, proteine recettrici, proteine canale, anticorpi specifici ecc.), con l’intenzione di sfruttare l’elevata specificità di riconoscimento molecolare o l’efficienza catalitica di queste frazioni, preoccupandosi meno della tecnologia necessaria per la trasduzione a valle del loro segnale. I biosensori di 1a, 2a e 3a generazione sono evoluzioni successive che indicano, da un lato, una ricerca più raffinata delle matrici biologiche e, dall’altro, una sempre migliore tecnologia di accoppiamento fisico tra la matrice e il suo trasduttore: dal cosiddetto kit analitico, che richiede diverse componenti e diverse fasi di intervento di un operatore, al bio-chip, che realizza un’integrazione della matrice biologica con la matrice elettronica . Oggi si tende a puntare a sistemi "all-in-one", sempre più efficienti. Quanto più sono integrate ed interdipendenti le due componenti del sistema matrice-trasduttore tanto più evoluto è il biosensore. Un tipico esempio di biosensore di 2a generazione è quello sviluppato dall’Università di Parma in collaborazione con CESI, in ambito RdS, per l’identificazione precoce di perdite di vapori di oli e gasoli nell’ambiente delle centrali termoelettriche. Questo lavoro [2] ha portato alla realizzazione di un prototipo di biosensore ad enzimi (Figura 14), nel quale il prelievo dei campioni, il sistema enzimatico (la matrice biologica), l’apparato di misura dei segnali di fluorescenza emessi dalla matrice biologica (il fluorimetro) ed il resettaggio del sistema, sono integrati in un’unica macchina, controllata da una scheda elettronica dedicata. A questo apparato è associato un rivelatore di soglia, in una scheda predisposta per il collegamento ad un allarme o ad un attuatore; quindi, oltre che biosensore, il dispositivo realizzato è “potenzialmente” un bioattuatore, anche se ad oggi sarebbe più corretto definirlo un sensore fisico comandato da un rilevatore biologico. La tecnologie di frontiera nel campo dei biosensori sono le già citate “all-in-one” di 3a generazione, i biosensori a microchip integrati o quelle che utilizzano come matrici biologiche interi tessuti, apparati o, addirittura, cellule eucariote e procariote, con l’intenzione di sfruttarne, oltre che le proprietà naturali di sofisticati ricognitori molecolari, anche le capacità già innate di trasduzione ed amplificazione di segnali ottici od elettrici [3-6]. Le ricerche più recenti puntano, più in particolare, allo studio e all’applicazione di ‘whole-cell-based biosensors‘. In quest’ottica la strategia è volta all’uso del sistema nervoso eucariota che, essendo naturalmente molto sensibile all’ambiente e spontaneamente adatto alla trasduzione e all’amplificazione dei segnali, può essere fonte privilegiata per la costruzione di biosensori e “bioattuatori” [7].

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 23/31 Figura 14- «Sniffer 1», biosensore ad enzimi per il riconoscimento di composti volatili provenienti da perdite e residui di oli e gasoli in centrali termoelettriche 4.2 Cenni sui meccanismi di funzionamento dei neuroni Per un organismo vivente, il sistema nervoso periferico rappresenta l’apparato di comunicazione con l’ambiente esterno. Esso è dotato di diversi recettori che, separatamente, captano i vari segnali fisici e chimici dell’ambiente e li traducono in un linguaggio elettrochimico comprensibile ai neuroni, inviandoli alle aree di proiezione del cervello. Il sistema nervoso centrale è organizzato in strutture gerarchiche. Le prime aree di proiezione dell’informazione periferica ricevono le varie informazioni parallele, dunque inizialmente scomposte. Altre aree, con funzioni computazionali e cognitive superiori, riorganizzano l’informazione secondo interrelazioni funzionali. In altri termini, la periferia inizialmente discrimina l’informazione scomponendola in contenuti diversi, in modo parallelo; le aree superiori, invece, operano il cosiddetto processo di binding: l’informazione viene valutata unitariamente secondo dei giudizi di merito, ovvero sulla base di criteri che la mente ritiene oggettivi. Il sistema nervoso offre pertanto spunti di estremo interesse alla ricerca finalizzata allo sviluppo di tecnologie analitiche e di controllo, in particolare per la costruzione di biosensori e “bioattuatori” «intelligenti», da utilizzare nel monitoraggio sia dei processi produttivi sia dell’ambiente.

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 24/31 Gli strumenti e le funzioni di cui ogni singolo neurone dispone per svolgere questo ruolo di mediazione con l’ambiente sono, in sequenza: a) La percezione di variazioni fisico-chimiche (stimoli) che intercorrono tra interno ed esterno, grazie alla presenza di specifici recettori e canali di membrana b) La genesi, conseguente alla percezione, di un potenziale elettrochimico depolarizzante transmembrana (potenziale generatore PG o potenziale sinaptico PS), localizzato nella regione dei recettori, la cui ampiezza in millivolts è proporzionale all’intensità dello stimolo c) L’induzione, da parte del PG o PS, di una depolarizzazione sulla membrana adiacente, che può portare il valore del potenziale di membrana ad un livello di soglia, superato il quale scatta un treno di potenziali di membrana, questa volta propagati (con velocità fino a 120m/sec), detti potenziali d’azione a punta (PA o spike). I singoli PA sono tutti uguali tra loro, di breve durata ma intensi (durante un PA tipico, il potenziale di membrana, nel punto in cui passa il PA, varia di circa 100mVolts e ritorna a riposo in pochi msec). Treni di PA ripetuti e ravvicinati si propagano fino al terminale nervoso dove risiedono le giunzioni con muscoli (placche motrici) o con altri neuroni (sinapsi); le frequenze con sui si susseguono gli spikes in un treno di PA sono variabili (da poche unità fino ad un centinaio di Hz) e dipendono in modo proporzionale dall’intensità del PG che li ha generati d) L’informazione si può trasmettere da un nervo al neurone successivo, in modo conservativo e stereotipato, perché i treni di PA che arrivano al terminale inducono nella membrana (pre-sinaptica) del terminale il rilascio di una quantità proporzionale di neuromediatori chimici, i quali stimolano i recettori corrispondenti sulla membrana (post-sinaptica) del neurone seguente. L’entità della stimolazione dipende dalla quantità dei mediatori rilasciati, mentre la modalità della stimolazione (se eccitatoria – EPSP – o inibitoria – IPSP -) dal tipo di mediatori e di recettori specifici. Il PS che risulta dalla media tra EPSP ed IPSP, è localizzato e non si propaga ma, come un qualunque PG ( vedi: Figura 16a), può indurre la genesi di un secondo treno di PA e così via (Figura 15) Figura 15 – Segnali neuronali

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 25/31 4.3 Le reti neuronali In un sistema di neuroni «in serie» avviene quindi un processo di interconversione dello stimolo in un segnale modulato in ampiezza e poi in frequenza, poi ancora in ampiezza e così via di seguito da un neurone all’altro, con un’alta conservazione sia dell’energia iniziale sia del contenuto informativo del segnale d’ingresso, su lunghe distanze. Idealmente un sistema così fatto è altamente lineare e l’informazione viene trasmessa in modo qualitativamente e quantitativamente fedele. Da un tale sistema si possono ottenere informazioni dirette sullo stimolo applicato in origine, poiché sono disponibili tecniche biofisiche molto sensibili per la registrazione dell’attività dei neuroni. Le tecniche più utilizzate sono solitamente tecniche ottiche di video-imaging e di microfluorimetria rapida, che utilizzano sonde molecolari intracellulari fluorimetriche, o tecniche elettrofisiologiche come il ‘patch-clamp’, che registrano l’attività elettrica con microelettrodi infissi. Tuttavia, dal punto di vista applicativo, un tale semplice sistema lineare è soggetto a limitazioni sostanziali: può rivelare perfettamente la singola stimolazione, ma manca di capacità discriminativa in un ambiente soggetto a stimolazioni plurime e ad interferenze ambientali di natura chimico-fisica diversificate. Ancora una volta è il sistema nervoso che offre la soluzione, con il passaggio da semplici sistemi in serie alle reti neuronali caratteristiche delle aree cerebrali, strutture complesse nelle quali sono presenti tutte le possibili combinazioni geometriche (vie parallele, divergenti, convergenti e anelli di retroazione). La presenza in una rete neuronale complessa sia di strutture ramificate che di strutture rientranti (a retroazione) migliora notevolmente le capacità cognitive del sistema rispetto ad una semplice struttura in serie. Nel caso delle strutture ramificate, l’informazione viene «amplificata» o, meglio, duplicata su più vie, ciascuna delle quali ha intrinseci ritardi ed una certa stocasticità fisiologica nella comunicazione a livello sinaptico [8]. Questa situazione comporta di per sé un output complessivo di rete che non sembra univoco né coerente, ma piuttosto la sommatoria casuale di vari treni di spikes con frequenze diverse; in realtà, l’effetto «amplificazione» produce un segnale di «coding» che per la rete che lo elabora non è affatto casuale ma ricorda il codice a barre, compatto ma altamente informativo. Inoltre, con ampie zone di non linearità, si migliora la precisione nella relazione segnale-risposta privilegiando alcuni intervalli ben definiti di ingressi, che sono anche fisiologicamente importanti. Ovviamente, piccole modifiche strutturali di rete sono deleterie per la ripetitività del coding. La presenza di vie rientranti, inoltre, rende disponibili ampi spazi di auto-controllo e di selezione nell’elaborazione e nella comunicazione dell’informazione; ogni possibile feed-back che contatta sinapticamente la via principale di comunicazione in modo ortogonale, può con i suoi mediatori, facilitanti od inibenti, determinare, al passaggio dell’informazione principale, degli sbarramenti, o delle vie preferenziali per le frequenze passanti, proprio come farebbero dei filtri passa banda. Le frequenze di spikes lungo il percorso della via principale verrebbero così ulteriormente modulate con la genesi di oscillazioni intrinseche e fenomeni di risonanza in moduli circoscritti della rete. Incrementando le potenzialità discriminative della rete, lo spettro di possibili risposte non solo tende ad amplificare stimoli anche deboli ma risponde alle diverse modalità di stimolazione, anche se concomitanti . La complessità rende il sistema dunque non lineare ma aumenta la capacità di generare un «coding» statisticamente più definito e ricco d’informazione, che presenta, come lati positivi: • una maggiore robustezza e una minore tendenza a saturarsi alle sollecitazioni con segnali ripetuti e sovrapposti • un tempo di recupero più rapido tra una stimolazione e l’altra • un miglior adattamento discriminativo o «fine tuning» verso lo spettro degli stimoli che sono giudicati di maggiore interesse dall’operatore • una eventuale capacità mnemonica di stimoli ripetuti (plasticità sinaptica) • soprattutto, un migliore potere risolutivo in presenza di più stimoli diversi ma contemporanei.

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 26/31 Se, da un lato, la sofisticazione nel potere risolutivo è evidente, di contro, la controindicazione è principalmente rappresentata dalla vulnerabilità del rapporto biunivoco coding – topografia funzionale di rete. 4.4 Transistori neuronali per la biosensoristica Nei neuroni si possono attualmente inserire stabilmente geni sensori di micro-ambiente (recettori, canali di membrana, pompe ioniche ecc.), l’espressione dei quali è sotto controllo di promotori «inducibili», ovvero di sequenze di DNA attivabili con particolari stimoli applicati dall’esterno e per opera di scelte precise fatte da un operatore. Un esempio è rappresentato dai «promotori inducibili da stress» che risentono della presenza di salti di temperatura, agenti tossici, campi elettromagnetici, ecc.. (vedi Figura 16). Se i nodi di una rete neuronale sono così geneticamente predisposti, la rete potrebbe essere indotta ad accendere specificamente questi geni esogeni da un segnale esterno di «stress». Questo evento dovrebbe modificare il suo pool recettoriale e, di conseguenza, anche il suo spettro d’azione complessivo (sensibilità e coding), come farebbe un transistore elettrico sui segnali d’entrata e uscita: da qui il termine di «transistori biologici». Inoltre, i geni esogeni potrebbero essere clonati in modo che siano integrati stabilmente nel genoma ospite, creando così linee cellulari stabili di transistori biologici a sensibilità mirata. Infine, sempre grazie alle biotecnologie, si potrebbe inserire come gene di fusione, a valle del costrutto contenente il promotore inducibile e il gene recettoriale, anche il gene esogeno della GFP (una proteina verde-fluorescente di alga; vedi Figura 16B). In tal modo, ogniqualvolta si applichi lo stimolo specifico, l’induzione del gene verrebbe segnalata all’operatore attraverso l’accensione di una sorta di lampadina intracellulare fluorescente ( vedi ad esempio Figura 16 C nella quale si nota la sintesi di GFP in cellule sollecitate termicamente, vale a dire riscaldate per pochi minuti al di sopra dei valori fisiologici). L’ideale per il futuro sarebbe introdurre un interruttore molecolare che permetta all’operatore di attivare questi nuovi «sensori» nei tempi e nelle zone di rete prescelti (per esempio con luce collimata laser); a tal fine si sta ipotizzando un biosensore di frontiera, il cosiddetto biosensore sintonizzabile (tunable) per il quale alcuni nodi di una rete funzionerebbero come veri e propri «transistori biologici» intelligenti. Un progetto di ricerca finalizzato «Biotecnologie» del CNR [8] di alcuni anni fa ha già affrontato in ambito nazionale il tema dell’ottenimento di «biosensori a transistori biologici» che, a volontà dell’operatore esterno, possano sintonizzarsi meglio in funzione del microambiente. In continuità con tale impostazione si colloca, in particolare, l’attività del gruppo di Biofisica del Dipartimento di Fisica dell’Università di Parma, con l’obiettivo di caratterizzare le proprietà complesse delle reti ottenute in vitro, attraverso misure biochimiche e biofisiche, e di sfruttare le linee cellulari neuronali che offrono le migliori caratteristiche di sensibilità e stabilità per produrre biosensori innovativi, di ultima generazione. In maggior dettaglio, il gruppo dell’Università di Parma persegue i seguenti obiettivi: • Attivare l’espressione di un particolare fenotipo nuovo in uno o più neuroni (nodi) della rete, in modo topograficamente selettivo. • Studiare le risposte adattative all’attivazione di un numero crescente dei nodi della rete e valutarne il comportamento complessivo. • Applicare i risultati ottenuti ai primi 2 punti per ottenere biosensori con sensibilità modulabili a piacimento, cioè in grado di monitorare anche quei parametri chimico-fisici che non caratterizzano normalmente il microambiente di una rete neuronale in vitro.

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 27/31 A) B) C) Figura 16 – (A) Sito “TATA box” nel DNA di un neurone modificato geneticamente, dove il riconoscimento di un promotore sensibile agli stresses chimico-fisici attiva il gene esogeno della GFP; (B) GFP è la proteina verde fluorescente di alga introdotta nel genoma dei neuroni come marker per la rivelazione di stress; (C) Cellule osservate a sx con la microscopia tradizionale e, a dx, con la fluorescenza dopo essere state “stressate” termicamente.

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 28/31 4.5 Potenzialità di utilizzo dei biosensori In conclusione, il possibile utilizzo di reti neuronali in-vitro come biosensori si fonda sulle seguenti considerazioni: • un singolo neurone percepisce, grazie ad un pool di recettori, alcuni segnali del microambiente in cui è immerso e li traduce in un output elettrochimico, emettendo una sorta di codice elettrochimico col quale identifica qualitativamente e quantitativamente lo stimolo originario • il pool dei recettori sensibili all’ambiente è quello del fenotipo espresso spontaneamente dal singolo neurone in base al suo genotipo e all’ambiente; il segnale di output si genera invece grazie alle proprietà di natura elettrochimica, presenti in tutti i neuroni. • in una rete cooperativa di più neuroni interconnessi, i processi di identificazione, riconoscimento del mezzo e trasduzione dei segnali vengono notevolmente migliorati ed amplificati grazie alle proprietà caotiche non-lineari dei sistemi complessi. • sfruttando le proprietà naturali di reti di neuroni come ricognitori d’ambiente e captando e traducendo gli outputs di rete con tecniche miniaturizzate ottiche ed elettrofisiologiche, si possono ottenere biosensori di elevata sensibilità. • infine, si può variare in modo mirato, con tecniche di «biologia molecolare», la sensibilità di una rete, modificando il pool recettoriale fenotipico dei neuroni che la compongono («transistori biologici») fino all’ottenimento di un coding mirato ed ottimale (fine tuning). Una ricerca su tali argomenti promette in prospettiva ricadute di indubbio interesse applicativo nel campo del monitoraggio ambientale e/o del rilevamento delle fonti di inquinamento sia chimico (fumi, sostanze organiche volatili, metalli pesanti, ammoniaca ecc.) sia fisico (es. termico, elettrosmog ecc.). Per quanto riguarda in modo specifico le possibili applicazioni di biosensori a problematiche di interesse per il settore elettrico, sono da segnalare in particolare l’eventuale utilizzo di biosensori come recettori nella misura degli effetti di campo elettrico e magnetico e come rilevatori di gas o liquidi in ambienti confinati. Un primo possibile obiettivo specifico è lo sviluppo di un sistema di monitoraggio capace di rilevare la formazione di gas nelle fasi che caratterizzano il decadimento del sistema di isolamento nei trasformatori o in altro macchinario elettrico. 4.6 Riferimenti bibliografici Sezione 4.1 [1] Wilson, K.; Walker, J.; (2000) Principles and techniques of practical biochemistry, Cambridge University Press. [2] Bignetti, E.; Baldini, G.; (2002) Natl. Conf. on Physics of Matter INFM, Bari, III-170, 275 [3] Kintzios, S.; Pistola, E.; et al.; (2001) Bioelectric recognition assay (BERA); Biosensors and biolectronics, 16, 325-336 [4] Kintzios, S.; Bem, F.; et al.; (2004) Study on the mechanism of bioelectric recognition assay: evidence for immobilized cell membrane interactions with viral fragments; Biosensors and bioelectronics, 20, 906-915

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 29/31 [5] Notinger, I.; Selvakumaran, J.; Hench L.L.; (2004) New detection system for toxic agents based on continuous spectroscopic monitoring of living cells; Biosensors and bioelectronics, 20, 780- 789 [6] Naal, R.M.; Tabb, J.; Holowka, D.; Baird, B.; (2004) In situ measurement of degranulation as a biosensor based on RBL-2H3 mast cells; Biosensors and bioelectronics, 20, 790-795). [7] Merli, E.; Bocchia, G.P.; Alfieri, R.; et al.; (2001) Inducible sensitivity in neurons: a general strategy for basic and applied research, Convegno Progetto finalizzato Biotecnologie del CNR, Genova, p250, 397). Sezione 4.3 [8] Koch, C.; (1999) Biophysics of computation: information processing in single neurons, Oxford University Press, Oxford.; Koch & Segev, 1998

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 30/31 5. CONCLUSIONI Nell’ambito del progetto SENNA e con l’obiettivo generale di contribuire a individuare e sviluppare soluzioni più efficaci per il monitoraggio dell’integrità e della funzionalità dei componenti elettrici del sistema di generazione e trasmissione, sono state portate a termine le seguenti azioni: • Sensori innovativi per misure elettriche e magnetiche: sono state prese in considerazione nuove tipologie di sensori (sensori di idrogeno; sensori multipunto a fibra ottica per la rilevazione di scariche parziali e misura di temperatura per trasformatori di potenza; ecc.), che ad oggi non hanno ancora trovato accettazione e impiego generalizzato industriale. Tali sensori, in generale disponibili a livello prototipale nelle versioni più avanzate, sono in prospettiva di notevole interesse per una fase di sperimentazione e di validazione in campo, su componenti elettrici di stazione e di centrale. Per i sensori non ancora disponibili commercialmente, la sperimentazione e lo sviluppo delle applicazioni potrebbe svolgersi nell’ambito di collaborazione con Università e potenziali utilizzatori finali interessati. • Diagnosi in linea della condizione degli isolatori: è stata messa a punto e sperimentata una nuova e più efficace metodologia per la diagnosi in linea del degrado delle caratteristiche dielettriche degli isolatori delle linee AT, basata sull’utilizzo di sensori anche convenzionali, le cui prestazioni diagnostiche complessive sono potenziate attraverso tecniche evolute di trattamento del segnale (es.: logiche sfumate). In tale ambito sono state confrontate diverse tipologie di trasduttori operanti nel campo delle alte frequenze, valutandone prestazioni e compatibilità con i sistemi di acquisizione. I risultati della sperimentazione dimostrano che i sensori induttivi presentano una buona sensibilità ai fenomeni da monitorare al fine di determinare un indice diagnostico efficace di degrado delle caratteristiche dielettriche degli isolatori. • Biosensori: a partire da un aggiornamento sulle nozioni di base del funzionamento dei biosensori e sulle prospettive di applicazione nel settore della diagnostica e del monitoraggio industriale ed ambientale, sono state prese in considerazione le possibili applicazioni di biosensori a problematiche di interesse per il settore elettrico, in particolare come recettori nella misura degli effetti di campo elettrico e magnetico, e come rilevatori di gas o liquidi in ambienti circoscritti, un possibile obiettivo essendo lo sviluppo di un sistema capace di rilevare la formazione di gas nelle fasi che caratterizzano il decadimento del sistema isolante nei trasformatori o in altro macchinario elettrico.

CESI A4/524110 Rapporto PeC Prove e Componenti Approvato Pag. 31/31 APPENDICE: PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI PDBASE E PDSOLVER Il PDSolver® è uno strumento innovativo progettato per l’acquisizione, l’elaborazione e la classificazione dei segnali impulsivi di corrente in alta frequenza originati da anomalie presenti nel sistema isolante dei vari componenti del sistema elettrico (trasformatori, macchine rotanti, cavi, GIS, ecc.). Il principio di funzionamento è il seguente: una volta acquisito il segnale con una banda passante larga, in funzione della forma d’onda viene suddiviso in classi di appartenenza omogenee a loro volta identificate utilizzando una tecnica di tipo fuzzy. Di seguito è riportato un esempio del principio di funzionamento del sistema. Original PD pattern Characteristic class pulse Separated sub-PD patterns 0.20 -0 .2 0 -0 .1 0 0.00 0.10 5E+20E+0 1E+2 2E+2 3E+2 4E+2 Discharge Pulse 0.20 -0 .2 0 -0 .1 0 0.00 0.10 5E+20E+0 1E+2 2E+2 3E+2 4E+2 Discharge Pulse Mappa di classificazione in famiglie omogenee di appartenenza 0.20 -0 .2 0 -0 .1 0 0.00 0.10 5E+20E+0 1E+2 2E+2 3E+2 4E+2 Discharge Pulse Figura 17 – Esempio di procedura di classificazione

ALLEGATO 1

Nanotechnology Sensor Can Help Predict Electrical Transformer Failure By Dr. Zvi Yaniv, CEO of Applied Nanotech, Inc. Although power and distribution transformers have service lives ranging from 25 to 50 years, there are many electrical transformers that were built and installed post World War II that still remain in service. It’s the internal insulation system and the maintenance of that system that dictates the lifecycle of the transformer. Industry professionals have long been protecting these large capital investments with reliability-centered maintenance programs. Although these maintenance programs have achieved a high level of dependability, they require near continuous monitoring and diagnoses to show individual and aggregate equipment status and trends. The life of the electrical transformer is actually dependent on the life of the internal insulation system. It can be shortened by a number of events – exposure to extreme conditions, aging and wear and tear. Many conditional items can be replaced in a timely manner to extend the life of the transformer. However, the oil-cellulose insulation system is one component of the transformer that cannot be replaced. Due to the omnipresence of oxygen and water, insulating oil deterioration is normal. The reaction between unstable hydrocarbons in the oil with oxygen, moisture or other chemicals and contaminants in the atmosphere, along with the assistance of accelerators such as heat, results in decay products in the oil. Owners and operators of electrical transmission and distribution systems take action to prevent fires and explosions in transformers with deteriorating insulating oils. But these companies really need a reliable method for predicting transformer failure before it reaches such extreme conditions. A new instrument designed to continuously monitor hydrogen in insulating oils promises to aid in predicting when a transformer is in the danger zone. Because a high hydrogen level in electrical insulating oils can indicate an imminent explosion, closely monitoring hydrogen can be an effective tool in predicting and preventing transformer failure. Through nanotechnology, Applied Nanotech Inc., a subsidiary of Nano-Proprietary Inc., created a palladium alloy nanoparticles-based sensor for the detection of hydrogen gas dissolved in power transformer oil. The absorption of hydrogen by the palladium alloy nanoparticles results in changes in the oil’s physical, electrical and optical properties. The sensor, which was tested for different hydrogen concentrations at different temperatures in transformer oil, exhibited proficient sensitivity and short reaction time. The sensor’s ability to continuously, remotely and simultaneously monitor electrical power systems and transformers can lead to a reduction in maintenance costs. In addition, it can help prevent catastrophic failures by providing an early warning of insulating oil degradation. The hydrogen sensor is made of palladium alloy nanoparticles on a dielectric substrate (Figure 1). It is based on a phase transition of these alloys in the presence of hydrogen whereby the nanoparticles expand by as much as 5 percent to 10 percent. This means that the volume increases in the presence of hydrogen. Applied Nanotech developed certain semiconductor processes whereby palladium alloy nanoparticles are isolated from each other when hydrogen is not present. In the presence of hydrogen, because of the volume growth due to the phase transition, the particles touch each other and considerably change the electrical characteristics of the device. Figure 1 Micrograph of the Sensor’s Sensing Element The micrograph shows a well defined pattern consisting of palladium alloy nanoparticles as small as 100 nanometers. The sensor has a highly desirable characteristic. Because the sensor acts like an open circuit, it uses low to no power in the absence of hydrogen. It is well-known that palladium absorbs hydrogen and, which results in this phase transition. However, palladium alone cannot be used as a hydrogen sensor due to the fact that it operates only at room temperature and detects only about 2 percent of the hydrogen. As a result of Applied Nanotech’s research and development, the new alloy nanoparticles sensor can operate at up to 180°C. Additionally, the palladium alloy nanoparticles sensor can measure a vast range of hydrogen concentrations (Figure 2). The sensor is triggered at levels as low as 0.5 percent hydrogen by volume. Experiments demonstrated that at different transformer oil temperatures, the palladium alloy nanoparticles sensor was able to detect hydrogen in transformer oil from 20 parts per million (ppm) to 4,000 ppm. In addition, it typically can sense changes in the hydrogen levels in less than 10 seconds (Figure 3). Due to its structure, it is suitable to be introduced directly into the transformer oil. Traditionally transformer oil is analyzed using gas chromatography, which is expensive, time- consuming and cannot be performed remotely and continuously. However, because the hydrogen sensor is prepared by standard semiconductor techniques, which offer the tremendous advantages of high-volume manufacturing and low cost, it can be a cost-effective alternative for hydrogen monitoring in transformer oil. Furthermore, the sensor can be as small as one square millimeter and can be easily incorporated inside the transformer oil for continuous real time sensing.

Applied Nanotech plans to integrate the hydrogen sensor with recently developed wireless transmission chips so that the status of all transformers in a simple network can be monitored remotely and simultaneously. Figure 2 Sensor Response at Different Hydrogen Concentrations Sensor responses at different hydrogen concentrations 1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 -10 0 10 20 Time (min) R e si st a n ce ( o h m s) 1% 2% 5% 10% Figure 3 Time Response Characteristics Time re sponsse cha ra cte ristics 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+12 1.E+14 -10 -5 0 5 10 Time (min) R e si st a n c e ( o h m s) Air 1% H2 Pd alloy nanoparticles Dr. Zvi Yaniv is CEO of Applied Nanotech, Inc, a subsidiary of Nano-Proprietary, Inc. (OTC Bulletin Board: NNPP). Through Applied Nanotech, Nano-Proprietary has an extensive intellectual property portfolio in the field of nanotechnology and a well-trained and well- managed nanotechnology research and development team. Their patent portfolio includes

multiple fundamental claims for carbon nanotubes field emissions cathodes, which enables the company to further control critical components of nanotechnology, and advance its commercial vision of the technology. Currently Applied Nanotech is in advanced development for the application of electron emitting carbon nanotubes cathodes in a number of areas, including large area color televisions, new lighting devices, x-ray, and microwave generators. ###

ALLEGATO 2





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ALLEGATO 3

propagating of 120.1880.

The use of electrical, chemical, and acoustic mea- surements to detect PDs inside power transformers has been extensively studied. The electrical method may provide accurate recordings of PDs in laboratory conditions but is difficult to apply in the field for in-service transformers because of the high level of electromagnetic interference H20849EMIH20850 and the impossi- bility of achieving accurate calibrations. Current chemical methods detect PDs in a transformer by taking gas or oil samples from the transformer. More-recent research includes the development of sor can detect ultrasonic waves and generate useful information relevant to the PD sources. 4–6 One ob- vious advantage of the acoustic methods is that by using them one can locate the position of a PD by studying the phase delay or the amplitude attenua- tion of the acoustic waves. Furthermore, acoustic methods have the potential advantage of better noise immunity in on-line PD detection applications. One can achieve acoustic PD detection by mounting piezoelectric acoustic sensors externally on the walls of a power transformer, and often a suitable coupler is used to enhance the acoustic wave’s coupling to the sensors. An externally mounted piezoelectric acous- tic sensor offers the advantages of easy installation and replacement. However, a piezoelectric sensor may suffer from degeneration of the signal-to-noise ratio caused by environmental noises such as EMI and corona effects. Another possible disadvantage associated with an externally mounted piezoelectric sensor is that the multiple paths of acoustic wave transmission make locating the exact positions of partial discharges difficult. 7,8 It is thus desirable to When this research was performed, the authors were with the Center for Photonics Technology, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia 24061-0287. J. Deng is now with Nanoopto Corporation, Somerset, N.J. 08873. H. Xiao is now with Agere Systems, Inc., Allentown, Pennsylvania 18109. B. Yu’s e-mail address is biyu@vt.edu. Received 16 September 2002; revised manuscript received 21 January 2003. 0003-6935H2086203H20862163241-10$15.00H208620 © 2003 Optical Society of America 1 June 2003 H20862 Vol. 42, No. 16 H20862 APPLIED OPTICS 3241

Fiber Fabry–Perot sensors for discharges in power transformers Bing Yu, Dae Woong Kim, Jiangdong Deng, Hai A diaphragm-based interferometric and tested for on-line detection of power transformers. The sensor sulated in a fused-silica glass tube by low-coherence light. Test results faithfully detecting acoustic signals bandwidth. © 2003 Optical Society OCIS codes: 060.2370, 120.2230, 1. Introduction Power transformers are the most critical and expen- sive components in the power industry. The occur- rence of partial discharges H20849PDsH20850 within transformers may lead to insulation breakdown and catastrophic failures whose effects may be large in both safety and financial terms. The cost of each failure can easily drive the total cost of a single transformer failure to

detection of partial and Anbo Wang optic sensor that uses a low-coherence light source was designed waves generated by partial discharges inside high-voltage a fused-silica diaphragm and a single-mode optical fiber encap- an extrinsic Fabry–Perot interferometer, which is interrogated indicate that these fiber optic acoustic sensors are capable of inside transformer oil with high sensitivity and wide America gas sensors and their application for on-line gas monitoring. 1–3 One major problem associated with chemical methods is that there is a long delay be- tween the initiation of a PD source and the accumu- lation of enough gas to be detectable. For electrical and chemical methods a further limitation is that it is generally not possible to determine the exact location of a detected PD source, information that is also im-

more than $10 million. Hence it is important that PD activity be monitored and studied to detect incip- ient insulation problems, to prevent catastrophic fail- ures and to avoid extensive costs.

portant in PD study. In general, a PD results in a localized, nearly instantaneous release of energy. It produces ultrasonic waves that propagate through the insulation oil of a transformer. An acoustic sen-

Xiao, fiber the acoustic uses to form

have sensors that can function reliably inside a trans- former, even deep within the transformer windings, to pick up clean PD-induced acoustic signals. For the sake of safety and easy installation these sensors have to be chemically inert, electrically nonconduct- ing, passive, and small in size. Optical fiber-based sensors have been shown to be attractive devices with which to measure a wide range of physical and chemical parameters because the sensors have a number of inherent advantages, including small size, light weight, high sensitivity, high frequency response, electrical nonconductivity, and immunity to EMI noise. 9 These advantages make optical fiber sensors excellent candidates for PD detection. Fiber optical acoustic sensors have been shown useful in many applications, such as un- derwater hydrophones, 10,11 material property analy- sis, civil structure nondestructive diagnosis, 12,13 vehicle detection and traffic monitoring, 14 and partial-discharge detection. 15,16 Early fiber optic sensors for acoustic signal detection were based mostly on fiber optic intrinsic interferometers such as all-fiber Michelson interferometers and Mach– Zehnder interferometers. These intrinsic fiber sensors usually use single- mode fiber and coherent sources, such as lasers. The light from a source is split into two fibers with equal intensity by a 3-dB fiber coupler. One fiber, referred to as the sensing arm, is exposed to the acoustic signal, and the other, referred to as the ref- erence arm, is shielded from the impact of the acous- tic wave. Either the reflections H20849MichelsonH20850 or the transmissions H20849Mach–ZehnderH20850 of the light beams propagating in the two arms are recombined to gen- erate interference signals that are modulated by the acoustic waves. The intrinsic fiber interferometric sensors have shown high sensitivity when a long fiber was used in the sensing arm. However, they suffer from the fringe fading problems that result from ran- dom polarization rotation. They are also unstable because of drift in the source wavelength and temperature-induced path-length changes. More recently, fiber optic extrinsic Fabry–Perot in- terferometric H20849EFPIH20850 sensors have been under devel- opment for acoustic-signal detection. 17–20 Fiber EFPI sensors are fabricated with a small sensing element known as a Fabry–Perot cavity formed by two parallel reflecting surfaces. Compared to Mich- elson and Mach–Zehnder fiber sensors, EFPI sensors are compact in size and therefore achieve virtually single-point measurement. More importantly, those random polarization rotation and phase changes that are environmentally induced in the fi- ber connecting the optical source, the sensor head, and the detectors are common mode and therefore do not affect the signal phases. The Center for Photonics Technology of the Vir- ginia Polytechnic Institute and State University H20849CPT VTH20850 has a research group experienced in the use of fiber optic EFPI sensors in harsh environments and has demonstrated a diaphragm-based EFPI pro- totype sensor system that uses a distributed- feedback laser source for on-line detection of partial discharges in power transformers. 21 The PD sen- sors are based on a Fabry–Perot H20849F-PH20850 interferometer that comprises a diaphragm and the end face of a single-mode fiber. The vibration of the diaphragm caused by PD-generated acoustic waves operates the interferometer in the linear range of one of its inter- ference fringes. EFPI sensors operating in the lin- ear range eliminate the common problems, such as nonlinear transfer functions, complex signal process- ing, and directional ambiguity, of sensors’ measuring changes in air gap change by fringe counting. How- ever, the PD detection system does suffer from source power fluctuation caused by backreflection, initial quadrature-point H20849Q-pointH20850 offset because of fabrica- tion tolerance, operating-point drift caused by static pressure in the transformer oil, and temperature drift. Although demodulation by multiwavelength interrogation 14,22 or spectral interrogation 22 is suc- cessful in solving the nonlinear transfer function, di- rectional ambiguity, and signal fading, neither approach is suitable for PD detection because it is possible that all channels of the multiwavelength ap- proach are not at the Q point and that neither method may have enough frequency response for PD detec- tion. Low-coherence light sources, such as LEDs and surface LEDs H20849SLEDsH20850, have found increasing appli- cations in fiber optic interferometric systems because of their advantages over laser sources in terms of increased unambiguous measurement range, insen- sitivity to environmental perturbations, high resolu- tion, and large dynamic range. 23 The treatment of a broadband source basically goes back to principles related by Born and Wolf. 24 By use of split- spectrum demodulation, 14,25,26 EFPI sensors with broadband sources have been used for the measure- ment of pressure, temperature, vibration, and acous- tic waves. However, even this approach does not help much to maintain the Q point in the center of the linear region of a diaphragm-based F-P sensor sys- tem. A promising technique for controlling the Q point is use of a tunable-bandpass filter for dynamic control of the operating point. This approach takes full ad- vantage of the broadband source and may also com- pensate for the slow Q-point drift caused by initial offset, static oil pressure, or temperature effects. Because it is difficult to find any commercial tunable bandpass filters at 1300 nm, the CPT-VT is develop- ing two techniques for achieving tunable bandpass filters. Although some positive initial results have been obtained with both techniques, it will still be some time before they can be used in our PD detection system. In the meantime it is beneficial for us to investigate the feasibility of the developing tech- niques for Q-point control by studying PD detection with a broadband source and a nontunable bandpass filter. In this paper we describe and analyze the performance of a PD detection system with a low- coherence source and a bandpass filter. 3242 APPLIED OPTICS H20862 Vol. 42, No. 16 H20862 1 June 2003

2. Method of Operation The fiber optic acoustic sensor is illustrated schemat- ically in Fig. 1. The system consists of a sensor probe, a SLED, a bandpass filter, a low-noise wide- band optical receiver, and single-mode fibers linking the sensor probe and the optical receiver. The light from a 1300-nm high-power superluminescent LED is launched into an isolator and propagates along the fiber to the sensor head through a filter and a 2 H11003 2 3-dB coupler. A 1310-nm optical isolator was in- serted just after the SLED to reduce optical feedback to the source, and an optic bandpass filter confined the spectrum within a certain range. As shown in the enlarged view of the sensor head H20849Fig. 1, insetH20850, the lead in–out fiber and the thin silica glass dia- phragm are bonded together in a cylindrical fused- silica tube to form a F-P sensing element. The use of fused silica for all parts ensures that the temperature effects will be minimum. The incident light is first partially reflected H20849R 1 H20850 at the end face of the lead in–out fiber. The remainder of the light propagates across the air gap to the inner surface of the dia- phragm, where it is once again partially reflected H20849R 2 H20850. The diaphragm etalon formed by the two sur- faces of the diaphragm had to be carefully treated in the previous PD sensor system described earlier in this paper. Three reasons make it negligible in the new system that uses a SLED source and a bandpass: H208491H20850 The coherence length of the light is much shorter than that of the distributed-feedback laser, H208492H20850 cou- pling loss causes low fringe visibility and intensity; and H208493H20850 the refractive index of the environment is close to that of the diaphragm H20849H110111.48 for transformer oil and H110111.33 for waterH20850. The multiple reflections travel back along the same lead-in fiber and through the same fiber coupler to the optical receiver. The spectral distribution of a SLED may be de- scribed by a Gaussian function 23 : fH20849H9261H20850H11005 1 H208492H9266H20850 1H208622 H9004H9261 expH20851H11002H20849H9261H11002H9261 0 H20850 2 H20862H208492H9004H9261 2 H20850H20852, (1) where fH20849H9261H20850 is the spectral density, H9261 0 is the central wavelength, and H9004H9261H11005H9004H9261 FWHM H20862H208498ln2H20850 1H208622 . Assum- ing that the fiber end and the diaphragm have the same reflectance H20849R 1 H11005 R 2 H11005 RH20850, the optical intensity I r H20849H9261H20850 received by the receiver at wavelength H9261 is I r H20849H9261H20850H11005H20851H9251I 0 fH20849H9261H20850H20852 R 2 H20851H208491 H11001H9257H20850H11002 2H9257 1H208622 cosH208494H9266n 0 LH20862H9261H20850H20852 1 H11001H9257R 2 H11002 2H9257 1H208622 R cosH208494H9266n 0 LH20862H9261H20850 , (2) where I 0 is the SLED output power after the pigtail, H9251 is the loss coefficient of the optical path H20849from the source to the sensor and from the sensor to the re- ceiver, including the fiber, the isolator, the filter, and the couplersH20850, L is the air-gap length, n 0 H11005 1 is the refractive index of the air in the cavity, and H9257 is the coupling efficiency for the round trip between the fiber end and the diaphragm. Provided that the di- aphragm is parallel to the fiber end, H9257 can be calcu- lated by 27 H9257H11005 1H20862H208531 H11001H208512H9261 0 LH20862H208492H9266n 0 w 2 H20850H20852 2 H20854, (3) where w is the mode spot size of the single-mode fiber. Therefore the total optical power received by the re- ceiver can be expressed as I H11005 H20848 H9261 0 H11002BWH208622 H9261 0 H11001BWH208622 I r H20849H9261H20850dH9261 H11005 H9251I 0 H208492H9266H20850 1H208622 H9004H9261 H20848 H9261 0 H11002BWH208622 H9261 0 H11001BWH208622 H11003 R 2 H20851H208491 H11001H9257H20850H11002 2H9257 1H208622 cosH208494H9266n 0 LH20862H9261H20850H20852 1 H11001H9257R 2 H11002 2H9257 1H208622 R cosH208494H9266n 0 LH20862H9261H20850 H11003 expH20851H11002H20849H9261H11002H9261 0 H20850 2 H20862H208492H9004H9261 2 H20850H20852dH9261, (4) where BW is the total spectrum width of the interro- gating light wave. The SLED used is SLED1300D20A from Opto Speed, which has a cen- ter wavelength of 1300 nm and H9004H9261 FWHM of 35 nm. Its spectrum spreads from 1200 to 1400 nm, as shown in Fig. 2. From Eq. H208494H20850, the interference of the multiple re- flections produces almost sinusoidal intensity varia- tions for a low-finesse F-P interferometer, defined as interference fringes, as the air gap is continually changed by acoustic wave pressure. Figure 3 gives the theoretical results from Eq. H208494H20850 normalized to the maximal optical intensity reflected from the F-P cav- ity, showing the change in air cavity length for a system without H20851Fig. 3H20849aH20850H20852 and with H20851Fig. 3H20849bH20850H20852 a band- pass filter, where the reflective surfaces are not coated H20849R H11005 3.5%H20850. Obviously, the sensor with the natural spectrum of the SLED has a short coherent length and low visibility H20849H1101125% for an air-gap length of 15 H9262mH20850. These limitations require that the air cavity be shorter than 10 H9262m to produce higher fringe visibility, which places more difficult manufacturing constraints on the sensor head. In contrast, the in- terference fringes have very good visibility H20849H1101165% at a cavity length of 15 H9262mH20850 if H9004H9261 FWHM is reduced to 20 nm by use of coarse wavelength-division multiplexing a bandpass filter. This use of a badnpass filter also Fig. 1. Schematic of a fiber Fabry–Perot acoustic sensor system: SMF, single-mode fiber; AR, antireflection. 1 June 2003 H20862 Vol. 42, No. 16 H20862 APPLIED OPTICS 3243

significantly increases the fabrication tolerance at the expense of out-of-band optical power H20849H1101150% for the SLED1300D20AH20850, which is acceptable in our sys- tem’s power budget. From Fig. 3, one period of fringe variation corre- sponds to an air-gap change of one half of the optical wavelength, which in our case is H110110.65 H9262m. In prin- ciple, continuous tracking of phase changes in the interference fringes can yield information about air- gap changes in the sensor element. The acoustic signal generated by partial discharges causes deflec- tion of the diaphragm and modulates the sealed air- gap length. The sensor therefore yields outputs that correspond to the applied acoustic signals. As in regular interferometers, the measurement will have ultrahigh sensitivity. However, the measurement will suffer from the disadvantages of sensitivity re- duction and ambiguity in fringe direction when the sensor reaches peaks or valleys of the fringes. Sen- sitivity is reduced at peaks or valleys of the fringes because at those points the change in optical inten- sity is nearly zero for a small air-gap change. Am- biguity in fringe direction is defined as difficulty in determining whether the air gap is increasing or de- creasing by detecting the optical intensity only. If a measurement starts with an air gap corresponding to the peak of a fringe, the optical intensity will de- crease, regardless of whether the gap increases or decreases. One approach to solving these problems is to design the sensor head such that the maximum air-gap change does not exceed the linear region of a half- fringe. Figure 4 shows the interference fringes of sensor heads normalized to the optical intensity in the F-P cavity at reflectances R H11005 3.5%, 10%, 20% for changes in air-gap length from 14.8 to 15.6 H9262m. Choosing as the operating point H20849Q point or initial air-gap lengthH20850 the central point H20849L 0 H20850 between a peak Fig. 2. Spontaneous-emission spectrum of SLED1300D20A. Fig. 3. Interference fringes of a low-finesse sensor H20849reflectivity R H11005 3.5%H20850 with a SLED source: H20849aH20850 no filter, H9004H9261 FWHM H11005 35 nm; H20849bH20850 with a bandpass filter, H9004H9261 FWHM H11005 20 nm. Fig. 4. Illustration of the linear operating range of the sensor’s response curve; R is the reflectivity. 3244 APPLIED OPTICS H20862 Vol. 42, No. 16 H20862 1 June 2003

and its neighbor valley for each sensor head, we may treat a region defined by H20849L 0 H11006H9004LH20850H20849between the dotted–dashed vertical lines in Fig. 4H20850 as a linear region, which can be fitted with Matlab by the follow- ing linear equation: IH20849LH20850H11005 S 0 L H11001 C, (5) where IH20849LH20850 is the optical intensity at air gap L and S 0 and C are constants. Obviously S 0 represents the fringe sensitivity of a sensor to a change in the air gap near its Q point. For a norm of residuals of 10 H110023 , the fitting parameters were calculated and are listed in Table 1. The increase in reflectivity R from 3.5% to 20% results in an increase in sensitivity of a factor of 4.27, but the decrease in linear operation ranges from 96 to 62 nm. In addition, the Q point of the linear region drifts toward the valley of the fringes when the reflectance is increased. However, visibility and ab- solute amplitude increase with increased reflectivity. In this linear region the ac electrical output of the sensor VH20849PH20850, is proportional to the air-gap change y 0 H20849PH20850 that is caused by acoustic pressure P and can be expressed as VH20849PH20850H11005 GH5228H9251S 0 I ac H20851L 0 H11001 y 0 H20849PH20850H20852H11005 S oe y 0 H20849PH20850, (6) where S 0 is the fringe sensitivity, i.e., the slope of the fringes in the linear regions; H5228 is the responsivity of the InGaAs photodetector, H110110.9 at 1300 nm; G is the total gain of the optical receiver; I ac H20851L 0 H11001 y 0 H20849PH20850H20852 is the ac component of the received optical signal; y 0 H20849PH20850 is the diaphragm deflection caused by acoustic pressure P; S oe is the total optical and electrical sensitivity with respect to the air-gap change; and S oe H11005 GH5228H9251S 0 . (7) 3. Diaphragm-Design Considerations Diaphragms and membranes have found extensive applications in pressure and acoustic wave measure- ments in the mechanical and microelectromechanical system sensor industries. As shown in the inset of Fig. 1, we fabricated a sensor head by thermally bonding a fiber, a ferrule, a silica tube, and a silica diaphragm together to form a sealed F-P interferom- eter. The diaphragm vibrates in the presence of an acoustic wave, which imposes a dynamic pressure on it. The diaphragm’s design is probably the most critical part of the sensor for efficient acoustic wave detection. Sensitivity, linearity, frequency re- sponse, temperature dependence, and size of the sen- sor head are directly related to the properties of the diaphragm. For the sake of extremely low depen- dence on temperature, we selected fused silica, the same material as used in the single-mode optical fi- ber, as the material to be used for the ferrule, the tube, and the diaphragm, as mentioned above. However, the shape and the size of the diaphragm are yet to be determined by the sensitivity and band- width requirements of the system. A. Sensitivity The diaphragm will be deflected whenever there is a differential pressure P between the inside and the outside of the sealed cavity. The out-of-plane deflec- tion of the diaphragm, y, is a function of the pressure difference at any radial position, r. With the as- sumption of uniform diaphragm thickness, small de- flection, infinitely rigid clamping about the periphery of the diaphragm, and perfectly elastic behavior, which is almost true for the fused-silica diaphragm and our bonding method, the deflection under pres- sure difference P is can be expressed as 28 yH20849PH20850H11005 3H208491 H11002H9262 2 H20850 16Eh 3 H20849a 2 H11002 r 2 H20850 2 P, (8) where H9262 is Poisson’s ratio H20849H9262 H11005 0.16 for fused-silica glass 7940 at 25 °CH20850, E is Young’s modulus of the silica glass material H20849E H11005 7.24 H11003 10 10 Pa or 73.5 H11003 10 8 kgH20862m 2 at 25 °CH20850, a is the radius of the diaphragm defined by the inner diameter of the glass tube, and h is the thickness of the diaphragm. In our sensor configuration the fiber is positioned at the central part of the diaphragm such that only the center de- flection y 0 is of interest. The sensitivity of the dia- phragm of a fused-silica diaphragm is given by H9254H11005 y 0 H20849PH20850 P H11005 2.524H11003 10 H110026 a 4 h 3 H20851nmH20862kPaH20852, (9) where y 0 is given in nanometers, a and h, in microme- ters; and P, in kilopascals. Figure 5 shows a typical Fig. 5. Sensor’s sensitivity and natural frequency versus dia- phragm thickness for a H11005 1.25 mm. Table 1. Fitting Parameters for Linear Regions with a Norm of Residuals of 10 H115463 Reflectivity, R H20849%H20850 S 0 C Q Point L 0 H20849H9262mH20850 Linear Range, 2H9004L H20849nmH20850 3.5 0.3777 H110025.6425 15.108 96 10 0.96535 H1100214.411 15.100 72 20 1.6124 H1100224.036 15.092 62 1 June 2003 H20862 Vol. 42, No. 16 H20862 APPLIED OPTICS 3245

sensor sensitivity curve at a H11005 1.25 mm. Substitut- ing Eq. H208499H20850 into Eq. H208496H20850 yields VH20849PH20850H11005 S T P, (10) where S T H11005 2.524H11003 10 H110029 a 4 h 3 S oe H11005 2.524H11003 10 H110029 a 4 h 3 GH5228H9251S 0 (11) is the total sensitivity of the sensor system. Obviously, VH20849PH20850 is proportional to the applied acoustic pressure generated by partial discharge when the sensor operates in the linear region of an interference fringe. This linear relationship makes the signal processing of our fiber optic PD sensors much simpler than those of other F-P sensors that use a fringe counting or a spectrum demodulation approach. From Eq. H2084911H20850, the total sensitivity of the system is determined by the parameters of the dia- phragm, the gain of the amplifier, the loss of the optical system, and the fringe sensitivity. The dia- phragm’s parameters are also related to the sensor’s frequency response. Larger amplifier gain may in- crease the total sensitivity but is limited by the band- width requirement and signal-to-noise ratio. The use of a bandpass filter can increase the visibility of interference fringes and therefore increase the useful ac optical intensity. Another effective way to in- crease sensitivity is to use diaphragms with reflective coatings. As shown in Fig. 4, fringe sensitivity is determined by reflectance R. A second benefitof using a coated diaphragm is that coupling coefficient H9251 can be increased at the same time. However, when the reflectance is increased, the finesse of the F-P interferometer is also increased. This results in steeper fringes and shorter linear regions on each fringe and thereby requires that R be less than 20% unless better strategies are used to keep the sensor working in a smaller linear region. 2. Frequency Response For partial-discharge detection we suggest that the sensitive frequency of the sensor system is in the range 20–200 kHz, 4–8 basically because noise in- duced in transformers by magnetostriction usually exists in the low-frequency range below 60 kHz, and the acoustic emission frequency of a PD is mostly H11011150 kHz. 6 To respond faithfully to dynamic acoustic wave pressure requires that the resonant frequency of the diaphragm be higher than the highest applied fre- quency. For reference only, and subject to the same assumptions for the calculation of sensitivity, the un- damped n-order resonant frequency of a rigidly clamped diaphragm can be expressed as 29 f n H11005 H9251h 2H9266a 2 H20875 gE 12H208491 H11002H9262 2 H20850 H20876 1H208622 , (12) where H9251 is a constant that is related to the vibrating modes of the diaphragm and takes a value of 10.21 for the fundamental mode H20849n H11005 0H20850, g H11005 9.815 mH20862s 2 is the gravitational constant, and w is the weight H20849densityH20850 of the diaphragm material. For a fused-silica glass diaphragm at 25 °C, w is 2.20 H11003 10 3 kgH20862m 3 . The frequency response of the sensor can thus be obtained as f 0 H11005 2.72H11003 h a 2 H20851kHzH20852, (13) where h is given in micrometers and a in millimeters. As indicated by Eq. H2084913H20850, the frequency response is proportional to the thickness of the diaphragm and is inversely proportional to the square of the effective diaphragm radius. The fundamental natural fre- quency of a fused-silica diaphragm with an effective diameter of 2.5 mm is given in Fig. 5 for various diaphragm thicknesses. In practice, Eq. H2084913H20850 may not be accurate for a diaphragm-based PD sensor because of the presence of mineral oil. In a fluid, the natural frequency should be modified by a factor of 1H20862H208491 H11001H9252H20850 1H208622 , 29 where H9252H110050.669w 1 RH20862wh and w 1 H11005 0.85 H11003 10 3 kgH20862m 3 is the density of the transformer oil. For a 2.5-mm diameter and a 150-H9262m diaphragm, the modification factor is H110110.56. However, considering that only one side of the diaphragm is immersed in mineral oil, and in a condition in which a small vol- ume of air is trapped behind the diaphragm and the volume change caused by deflection is not insignifi- cant compared with the total volume of the trapped air, a slight increase in the resonant frequency is possible, as the trapped air might act as a stiffening spring, as indicated in Ref. 29, and the modification factor could be even closer to 1. Therefore Eq. H2084913H20850 can still be used to estimate the fundamental natural frequency in the diaphragm design. In partial-discharge detection, we suggest that the sensitive frequency of the sensor system is in the range 20–200 kHz. A trade-off must be made be- tween high sensitivity and high frequency response of the sensor when one is selecting the geometric size of the diaphragm. For example, if a diaphragm of a H11005 1.25 mm and h H11005 125 H9262m is chosen, a fundamental frequency of 220 kHz and a diaphragm sensitivity of 3.5 nmH20862kPa may be obtained. A maximum acous- tic pressure of 10.3 kPa will result if a 10% reflec- tive coating H20849H9004L H11005H1100636 nmH20850 is deposited both on the diaphragm and on the fiber. An acoustic-pressure resolution of 10 Pa may be obtained if a system signal-to-noise ratio of 60 dB is achievable. 4. Sensor Fabrication Several sensor heads have been fabricated either by fusion bonding with borosilicate powders or by epoxy bonding of a single-mode fiber, a silica glass ferrule, a silica glass tube, and a thin silica diaphragm, as shown in Fig. 1. Fusion bonding has the advantage of a low temperature coefficient but the disadvantage of difficult air-gap control and possible damage to the reflective coatings. Bonding with epoxy is simpler and more easily controllable but has a higher sensi- tivity to temperature. 3246 APPLIED OPTICS H20862 Vol. 42, No. 16 H20862 1 June 2003

The ferrules used have an inner diameter of 130 H9262m and an outer diameter of 2.50 mm; the tubes have an inner diameter of 2.52 mm and an outer diameter of 6 mm. The diaphragms have two different thick- nesses, 125 and 250 H9262m, with 10% coatings. A sam- ple of a finished sensor is shown in Fig. 6. In the sensor fabrication, a monitoring system consisting of a broadband light source, a 2 H11003 2 coupler, and an optical spectrum analyzer was been used to monitor the air-gap length. The initial air gap between the fiber and the inner surface of the silica diaphragm was adjusted to produce the highest interference fringe visibility. The initial operating point was also adjusted to the central point of a fringe for linear operation and the highest detection sensitivity. For those sensors to be used in transformer oil, the orig- inal air cavity length must be a bit larger or smaller than the optimal length to compensate for the static pressure caused by the oil. The small air-gap differ- ence from the optimal point depends on the mounting depth of the sensor in the transformer oil. However, no matter how well the initial air gap can be controlled, temperature drift and static oil pres- sure may drive the operating point away from the Q point. Inasmuch as all parts of the sensors are made from fused-silica glass, the temperature coefficient of a fusion-bonded sensor can be as small as 0.01 nmH20862°C for a cavity length of 20 H9262m and therefore can be neglected. Unfortunately, the oil pressure can be as high as 58 kPa H20849H110118.5 psiH20850 and may drive the operating point to a peak or a valley of an interference fringe. A promising approach to dynamic control of the op- erating point in the linear region while high fringe visibility is maintained is to use a tunable bandpass optical filter. Initial laboratory experimental re- sults with underdeveloping tunable optical bandpass filters have already proved that dynamic control of the Q point is possible. 5. Experimental Results and Discussion A prototype system of this design, shown in Fig. 7, was built and tested to demonstrate the feasibility of on-line detection of partial discharges in power trans- formers. A 20-mW SLED centered at 1300 nm with spectrum width H9004H9261 FWHM H11005 35 nm is used as the source. This high-power SLED supports three PD sensor channels in the prototype. Three high-speed InGaAs detectors are used to detect the optical signal from each sensor, and the output is fed into three high-gain wideband transimpedance amplifiers. The frequency response of the electronic circuits is limited within a range of 20–300 kHz, defined by additional bandpass filters. We set up an experimental system to evaluate the performance of the diaphragm-based PD sensors for acoustic wave detection. As shown in Fig. 8, a fiber PD sensor was installed in water at one end of a polyvinyl chloride H20849PVCH20850 tube facing a piezoelectric H20849PZTH20850 transducer H20849Physical Acoustic CorporationH20850 at the other end of the PVC tube. The transducer has an acoustic bandwidth of 100 kHz–1 MHz. The per- turbed angular correlation H20849Physical Acoustic Corpo- rationH20850 C-101_HV pulser has an output pulse rise time of 20 ns and a pulse width of 100–500 ns. We Fig. 6. Photograph of a fiber PD sensor. Fig. 7. Prototype of a three-channel fiber optic PD detection sys- tem. Fig. 8. Schematic of the test setup for PD sensor evaluation. 1 June 2003 H20862 Vol. 42, No. 16 H20862 APPLIED OPTICS 3247

can adjust the static water pressure by varying the height of the water column from 0.1 to 2.2 m, simu- lating the static pressure of a power transformer in the mineral oil. The distance from the PD sensor to the PZT is H1101118 cm. As a reference, we attached another PZT was attached to the outside of the PVC tube as an acoustic sensor. Because the signal cou- pling is not efficient, the PZT was mounted closer to the source than the fiber sensor. This arrangement was chosen because it represents many practical PD test situations in which PZT sensors are attached to the sidewalls of a transformer whereas fiber sensors can be inserted into the transformer tank. A LeCroy two-channel digital oscilloscope is used to display and store the acoustic signals captured by the sensors. The test results for the two fiber sensors, PDS#1 with a 125-H9262m diaphragm and PDS#2 with a 250-H9262m diaphragm, were recorded and are shown in Fig. 9. Figures 9H20849aH20850 and 9H20849bH20850 show the waveforms captured by PDS#1 depths of 1.0 and 2.0 m, respec- tively, and Fig. 9H20849cH20850 shows the peak-to-peak ampli- tudes with the static water pressure change for sensors PDS#1 and PDS#2. Obviously, sensor PDS#1 is more sensitive than sensor PDS#2 to the acoustic waves and to changes in static pressure. These results agree well with the sensitivity calcula- tion given in Fig. 5. When sensor PDS#1 operates near its optimal point H20849h H11005 0.8 mH20850, it has maximal sensitivity and the best linearity. The measured lin- ear range for PDS#1 is H110111 m, or 9.8 kPa, which is very close to the value of 10.3 kPa calculated in Sec- tion 3. However, as the increasing static water pres- sure drives the operating point closer to a peak or a valley of an interference fringe, sensitivity is reduced and the nonlinearity effect becomes significant. This can clearly be seen from the shapes of the wave- forms captured by sensor PDS#1 at h H11005 1.0 m in Fig. 9H20849aH20850 and at h H11005 2.0 m in Fig. 9H20849bH20850. Comparing the amplitudes of the waveforms in Fig. 9H20849aH20850 with the curve for PDS#1 in Fig. 9H20849cH20850 and noting that the am- plifier gain in the latter figure is approximately a quarter of that for Fig. 9H20849aH20850, we know that the peak- to-peak acoustic pressure H20849H11021H110061.0VH20850 is only one half of the linear range H20849H110111.0 V H11003 4H20850. This means that at h H11005 1.0 m sensor PDS#1 faithfully responds to the dynamic acoustic waves generated by the PZT. For Fig. 9H20849dH20850 the signals were detected by sensor PDS#1 and the PZT sensor for the same acoustic wave shock. The fast Fourier transform of the sig- nal from PDS#1 indicates that the central frequency Fig. 9. Laboratory simulation of acoustic wave detection: H20849aH20850 h H11005 1.0 m, H20849bH20850 h H11005 2.0 m, H20849cH20850 peak-to-peak output with change in static pressure, H20849dH20850 comparison of a fiber sensor with a PZT sensor and the fast Fourier transform H20849FFTH20850 of the output from the fiber sensor. 3248 APPLIED OPTICS H20862 Vol. 42, No. 16 H20862 1 June 2003

is H11011190 kHz. A comparison of these two time- domain waveforms generates interesting informa- tion: First, the waveform from PDS#1 appears to be similar to the leading end of the waveform from the PZT sensor. This means that both of them picked up the acoustic wave from the PZT source. Second, multiple reflections are coupled into the PZT sensor, cause degeneration of the received signals, and make it impossible to determine how long a PD will last, whereas the fiber sensor in the PVC tube picked up stronger and cleaner acoustic signals. Finally, there is a clear time delay of 80 H9262s between the two wave fronts, which is caused by the 12-cm distance be- tween those two sources. The speed of an acoustic wave is H110111500 mH20862s in water. To further investigate the feasibility of real PD detection with a diaphragm-based fiber sensor we used a car starter as a PD source in our lab. We used both a fiber sensor that we made and a PZT sensor from Physical Acoustic Corporation to mea- sure the PD-generated acoustic waves. Two groups of experiments were performed. In the first group, both the car starter and the sensors were placed close to the signal-processing systems. Strong EMI noise was received by both systems, and the acoustic wave was immersed in the noise. In the second experi- ment the sensors were enclosed together with the starter in an aluminum box 20 m away from the signal-processing system. Considering that acous- tic waves have much higher attenuation in air than in liquid, we mounted the sensors only 2 cm from the sparker. In this way the fiber sensor caught a strong acoustic wave with peaks at 45 kHz and har- monic frequencies as shown in Fig. 10; the EMI noise was less than 100 mV. In the meantime, the PZT sensor still picked up strong EMI noise because of the electrical cable connection between the sensor and the signal-processing system. This comparison proves one of the advantages of fiber sensors com- pared with electronic sensors. 6. Conclusion In summary, a diaphragm-based fiber optic Fabry– Perot sensor system has been developed for detection of weak acoustic waves. Improvements in the fringe visibility and sensitivity of the sensor, which uses a low-coherence light source, have been achieved by the introduction of a bandpass optical filter to reduce the spectral width of the interrogating light. Labora- tory test results have clearly demonstrated the fea- sibility of using the fiber sensors for detection of partial discharges. Compared with conventional acoustic sensors, the fiber optic sensor has the advan- tages of a nonelectrically conducting, high frequency response H20849up to 200 kHzH20850, immunity to electromag- netic interference, chemical inertness, small size, and the capability for multiple-point monitoring. Fur- ther improvement in performance may be obtainable by use of tunable optical bandpass filters. The authors acknowledge support for this research from the Electrical Power Research Institute and Na- tional Science Funding. The authors also thank Yilu Liu and her students at the Power IT Lab, Vir- ginia Polytechnic Institute, for useful discussions of PD generation and acoustic propagation in trans- former oil. References 1. Y. Inoue, K. Suganuma, M. Kamba, and M. Kikkawa, “Devel- opment of oil-dissolved hydrogen gas detector for diagnosis of transformers,” IEEE Trans. Power Deliv. 5, 226–232 H208491990H20850. 2. W. A. Pledger and S. C. Pyke, “Gas monitor update: review of progress in the development of a microelectronic in-situ trans- former fault gas analyzer,” in EPRI Substation Equipment Diagnostics Conference H20849Electrical Power Research Institute, Palo Alto, Calif., 1994H20850. 3. J. W. Abbott, D. Chu, A. E. Diamond, H. A. ElBadaly, and C. S. Slemon, “Development of an automated transformer oil mon- itor H20849ATOMH20850,” in EPRI Substation Equipment Diagnostics Con- ference H20849Electrical Power Research Institute, Palo Alto, Calif., 1994H20850. 4. L. E. Lundgaard, “Partial discharge. XIII. Acoustic partial discharge detection—fundamental considerations,” IEEE Electr. Insul. Mag. 8H208494H20850,25–31 H208491992H20850. 5. L. E. Lundgaard, “Partial discharge. XIV. Acoustic partial discharge detection—practical application,” IEEE Electr. In- sul. Mag. 8H208495H20850,34–43 H208491992H20850. 6. H. Kawada, M. Honda, T. Inoue, and T. Amemiya, “Partial discharge automatic monitor for oil-filled power transformer,” IEEE Trans. Power Appar. Syst. PAS-103, 422–428 H208491984H20850. 7. E. Howells and E. T. Norton, “Location of partial discharge sites in on-line transformers,” IEEE Trans. Power Appar. Syst. PAS-100, 158–161 H208491981H20850. 8. P. M. Eleftherion, “Partial discharge. XXI. Acoustic emission-based PD source location in transformers,” IEEE Electr. Insul. Mag. 11, 22–26 H208491995H20850. 9. B. Culshaw, “Basic concepts of optical fiber sensors,” in Optical Fiber Sensors: Principles and Components, J. Dakin and B. Culshaw, eds. H20849Artech House, Boston, Mass., 1988H20850, Chap. 2. 10. J. A. Bucaro, H. D. Dardy, and E. Carome, “Fiber optic hydro- phone,” J. Acoust. Soc. Am. 62, 1302–1304 H208491977H20850. 11. A. Dandridge and A. D. Kersey, “Overview of Mach–Zehnder Fig. 10. Top, PD signal and bottom, its spectrum generated by a car starter. 1 June 2003 H20862 Vol. 42, No. 16 H20862 APPLIED OPTICS 3249

sensor technology and applications,” in Selected Papers on Fi- ber Optic Sensors, R. Willsch and R. Th. Kersten, eds., Vol. MS 108 of SPIE Milestone Series H20849Society of Photo-Optical and Instrumentation Engineers, Bellingham, Wash., 1995H20850, pp. 216–234. 12. M. F. Gunther, A. Wang, B. R. Fogg, K. A. Murphy, and R. O. Claus, “Fiber optic impact detection and location system em- bedded in a composite material,” in Fiber Optic Smart Struc- tures and Skins V, R. O. Claus and R. S. Rogowski, eds., Proc. SPIE 1798, 262–269 H208491992H20850. 13. J. A. Greene, T. A. Tran, V. Bhatia, M. F. Gunther, A. Wang, K. A. Wang, and R. O. Claus, “Optical fiber sensing technique for impact detection and location in composites and metal specimens,” J. Smart Mater. Struct. 4, 93–99 H208491995H20850. 14. N. Furstenau, M. Schmidt, H. Horack, W. Goetze, and W. Schmidt, “Extrinsic Fabry–Perot interferometer vibration and acoustic sensor systems for airport ground traffic monitoring,” IEE Proc. Optoelectron. 144, 134–144 H208491997H20850. 15. J. Teunissen, C. Helmig, R. Merte, and D. Peier, “Fiber optical on-line monitoring for high-voltage transformers,” in SPIE In- ternational Symposium on Environmental and Industrial Sensing: Fiber Optic Sensor Technology II, M. A. Marcus, B. Culshaw, M. Saad, and J. A. Harrington, eds., Proc. SPIE 4204, 198–205 H208492001H20850. 16. Z. Zhao, M. MacAlpine, and M. Su¨leyman Demokan, “The directionality of an optical fiber high-frequency acoustic sensor for partial discharge detection and location,” J. Lightwave Technol. 18, 795–805 H208492000H20850. 17. R. O. Claus, M. F. Gunther, A. Wang, and K. A. Murphy, “Extrinsic Fabry–Perot sensor for strain and crack opening displacement measurement from H11002200 to 900 °C,” J. Smart Mater. Struct. 1, 237–242 H208491992H20850. 18. K. A. Murphy, M. F. Gunther, A. Wang, and R. O. Claus, “Detection of acoustic emission location using optical fiber sen- sors,” in Smart Structures and Materials 1994: Smart Sens- ing, Processing, and Instrumentation, J. S. Sirkis, ed., Proc. SPIE 2191, 282–290 H208491994H20850. 19. A. Wang, M. S. Miller, A. J. Plante, M. F. Gunther, K. A. Murphy, and R. O. Claus, “Split-spectrum intensity-based op- tical fiber sensors for measurement of microdisplacement, strain and pressure,” Appl. Opt. 35, 2595–2601 H208491996H20850. 20. J. Wang, W. Zhao, H. Xiao, and A. Wang, “Self-calibrated interferometricH20862intensity-based optical fiber sensors,” in Sen- sors and Controls for Advanced Manufacturing, B. O. Nnaji and A. Wang, eds., Proc. SPIE 3201, 20–26 H208491998H20850. 21. J. Deng, H. Xiao, W. Huo, M. Luo, R. May, A. Wang, and Y. Liu, “Optical fiber sensor-based detection of partial dis- charges in power transformers,” Opt. Laser Technol. 33, 305–311 H208492001H20850. 22. W. Pulliam, P. Russler, R. Mlcak, K. Murphy, and C. Kozikowski, “Micromachined, SiC fiber optic pressure sensors for high temperature aerospace applications,” in Industrial Sensing Systems, A. Wang and E. Udd, eds., Proc. SPIE 4202, 21–30 H208492000H20850. 23. Y. N. Ning, K. T. V. Grattan, and A. W. Palmer, “Fiber-optic interferometric systems using low-coherence light sources,” Sens. Actuators A 30, 181–192 H208491992H20850. 24. M. Born and E. Wolf, Principle of Optics H20849Oxford U. Press, Oxford, 1980H20850, pp. 360–367. 25. M. Schmidt and N. Fu¨rstenau, “Fiber-optic extrinsic Fabry– Perot interferometer sensors with three-wavelength digital phase demodulation,” Opt. Lett. 24, 599–601 H208491999H20850. 26. R. A. Wolthuis, G. L. Mitchell, E. Saaski, J. C. Hartl, and M. A. Afromowitz, “Development of medical pressure and tempera- ture sensors employing optical spectrum modulation,” IEEE Trans. Biomed. Eng. 38, 974–981 H208491991H20850. 27. C. M. Miller, S. C. Mettler, and I. A. White, Optical Fiber Splices and Connectors H20849Marcel Dekker, New York, 1986H20850, pp. 144–150. 28. M. Di Giovanni, Flat and Corrugated Diaphragm Design Handbook H20849Marcel Dekker, New York, 1982H20850, Chap. 12. 29. M. Di Giovanni, Flat and Corrugated Diaphragm Design Handbook H20849Marcel Dekker, New York, 1982H20850, Chap. 17. 3250 APPLIED OPTICS H20862 Vol. 42, No. 16 H20862 1 June 2003

ALLEGATO 4

As the population increases so do the demands placed on our electricity generating and distributing networks. At peak periods transformers can experience rapid rises in temperature producing hot-spots within the transformer. Overheating can lead to the premature breakdown of the cellulose insulation between the transformer windings, which in turn can seriously reduce the life expectancy of a large transformer and if left unchecked can lead to failure. Reliable detection and monitoring of hotspots permits remedial action to be taken in the event of overheating and the life of the transformer to be extended with confidence. Conventional electrical temperature sensors may be placed at the top and bottom of a transformer to indicate global temperature changes but they cannot be used on the windings to detect hotspots directly. Only fibre-optic sensors, being all-dielectric, are permitted. A Smart Fibres sensor array can contain many sensors and can be designed so that the sensors are positioned at key locations within the transformer providing a stable and accurate multi-point temperature monitoring system. Power Transformer Hot-Spot Monitoring Optical fibre array installed during transformer manufacture to directly monitor hot-spots. One array can have dozens of sensors, all sensors can be analysed by one instrument and just one fibre. With one multi-channel instrument multiple transformers can be monitored simultaneously • Direct winding multi-point temperature measuring • Absolute spatial resolution • Greatly reduced cost • Expandable systems • High accuracy and sensitivity (0.1°C Sensitivity) • Zero drift – no recalibration • Sensors are totally passive and intrinsically safe • Multiplexed systems – a single instrument can read over 1000 sensors* • A range of data handling and data storage solutions available to suit *New switch extension modules allow for up to 2048 sensors to be measured simultaneously across one four channel instrument. Spiral PTFE wrap protects the fibre sensor and allows ingress of transformer oil so maintaining the dielectric integrity of the transformer.

     Copyright ©2003 Smart Fibres Ltd.UK Company > Home  More… Welcome To Smart Fibres Ltd. Optical fibre strain sensing is one of today’s fastest developing technologies. The significant advantages that optical fibre sensors hold over more conventional sensors for component testing, design validation and structural health monitoring have long been understood. However, it is only within recent years that this unique technology has sufficiently matured to find true commercial application. For nearly a decade, Smart Fibres have been leading the development of one optical sensor technology – the fibre Bragg grating, taking it from the research lab into a broad range of application arenas. The new markets opening for this technology that we have pioneered are many and varied, from military jets and space vehicles to bridges and tunnels. With Smart Fibres, our customers are teamed up with the widest experience, the broadest range of product offerings, the most commercial viable sensing solutions and the most respected name in the industry. Member of the British Society for Strain Measurement Member of the Photonics Cluster Site Map Pagina 1 di 1Smart Fibres Structural Monitoring using Fiber Bragg Gratings 10/02/2005mhtml:file://D:rapporti%20in%20bozzaLAVORI%20FINITI2004%20RAPPORTI%20FINITI%20…

ALLEGATO 5

Click on picture for larger view MEASUREMENT & DIAGNOSTICS Monitoring and Control System for Medium-Voltage Overhead Distribution Lines Deregulation, aging infrastructures, and increasing customer demand for reliability and power quality are driving the need for automated monitoring of electrical power distribution systems. We’re developing a prototype system that combines intelligent power-line sensors from GridCom with centralized monitoring and control software that will detect and localize faults and characterize power quality. The system features wireless communication, advanced fault detection algorithms, and a master station computer used to trend, store, display, and analyze faults via our custom- designed user interface. Parameters Acquired Instantaneous rms voltage Instantaneous rms current Power factor Harmonic content Peak voltage or current over defined time interval Faults Identified Single phase to ground Multiphase to ground Multiphase short High impedance fault Open-phase fault Field demonstration of the system is planned with two host utilities in New York State. home about us contact cadense jobs events news where we are site map Foster-Miller Technologies, 431 New Karner Road, Albany, NY 12205 Copyright © 2003 FMT. All rights reserved. Pagina 1 di 1FMT – Measurement & Diagnostics 10/02/2005mhtml:file://D:rapporti%20in%20bozzaLAVORI%20FINITI2004%20RAPPORTI%20FINITI%20…

Subject: UFTO Note – Gridcom Powerline Sensors Date: Thu, 09 Sep 1999 ————————————————————– Gridcom Powerline Sensors A remarkable new type of low cost and easily installed intelligent powerline sensors are nearing commercial readiness. They come in three flavors: – Medium Voltage Single Phase Overhead (4 – 69 KV) – Medium Voltage Single Phase Underground – Low Voltage Single and Multi-phase Underground (e.g., 208 V) The medium voltage devices simply clamp on the cable, and measure voltage and current without a connection to ground or a phase-to-phase connection. There is no penetration of cable voltage insulation. (It is not applicable to coax or multiple conductor configurations–only single unshielded cables.) The underground units are self-powered by the power line, and the overhead ones use batteries that will last 5 years or more. They are said to be approximately ten times cheaper to buy and install, and offer far greater capabilities than anything else on the market. Measurement accuracies (I, V, P) are quoted at better than 3%, though the units invariably do much better. It is not a revenue meter, however. Evaluation units are available now, and the first production units will be ready before the end of the year. Five utilities (including one or two UFTO companies) have been testing overhead sensors. The sensors measure current and voltage and can be equipped to measure and/or detect a number of additional conditions or quantities including temperature, moisture, specific substances, light, acceleration, and vibration. Underground sensors utilize two-way powerline carrier communications over the existing lines and overhead sensors communicate through two-way low power RF systems. Each sensor has its own local on-board intelligence to perform data processing and analysis. In typical applications the sensors calculate true rms voltage and current, power factor and harmonic content. Peak rms quantities and fault recognition capabilities can also be employed. The sensors report by exception, when polled, or at determined times. Since data is processed at the sensors, communications bandwidth requirements are relatively low. Only processed data or observed data related events (like faults, voltage dips, or high current limits) are reported — not extensive strings of raw data. Typical functions of these sensors (both overhead and underground) include: – Detection and location of faults – Measurement of power quality – Identification of grounding and cable insulation issues – Detection of non-technical losses – Detection of unanticipated loads – Confirmation of recloser, sectionalizer and other switch operations – Support capacitor switching algorithms – Monitoring distributed generation APPLICATIONS Infrastructure Monitoring Pagina 1 di 2UFTO Note – Gridcom Powerline Sensors 10/02/2005mhtml:file://D:rapporti%20in%20bozzaLAVORI%20FINITI2004%20RAPPORTI%20FINITI%20…

– Distribution Automation – Operations Support – Fault Detection, Classification and Location – Power-line losses – Power Factor and VAR Monitoring – Switch Operation Confirmation – Planning Studies – Circuit Design Condition Based Maintenance – Cable Burnout and Circuit Limiter Detection (low voltage U/G) – Equipment Health Status (Fuse, Cutout, Transformer, Switch) – Tree Trimming Effectiveness Beyond the Meter Services – Power Quality – Sub-metering and Beyond-the-Meter Distribution Networks – Harmonic Analysis The underground sensors were initially developed for Consolidated Edison’s Secondary Underground Network Distribution Automation System (SUNDAS). The objective was to develop a comprehensive sensing system that would be relatively inexpensive to purchase, install, operate and maintain. Con Ed has tested experimental versions of the low voltage underground sensors in their Battery Park City and Harlem networks. These tests demonstrated the capabilities of these sensors to monitor powerline conditions and to detect variations in line conditions associated with circuit limiter loss, arcing faults, changes in network protector relay status and unusual changes in power flow patterns. Based on the performance of the experimental sensors, Con Edison will install GridCom sensors throughout the Hunter network with installations beginning this fall. US Patent No. 5,892,430: Self-powered powerline sensor The company’s website has a lot of information and pictures: http://www.gridcom.com Contact: Rich Wiesman, 781-684-4387 rwiesman@foster-miller.com Pagina 2 di 2UFTO Note – Gridcom Powerline Sensors 10/02/2005mhtml:file://D:rapporti%20in%20bozzaLAVORI%20FINITI2004%20RAPPORTI%20FINITI%20…